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1. 带电半球受力
带电球电场:
E → ( r ) = { Q r 4 π ϵ 0 R 3 e → r , r ≤ R Q 4 π ϵ 0 r 2 e → r , r > R 得到:
T i j = ϵ 0 E i E j − 1 2 ϵ 0 E 2 δ i j → T x z = T y z = 0 , T z z = − 1 2 ϵ 0 E 2 , a t z = 0 r → ∞ 时 ∫ T ⋅ d S → → 0 忽略, 则:
F → = e → z ∫ T z z d S z = e → z ∫ 0 ∞ ( − 1 2 ϵ 0 E 2 ) ( − 2 π r d r ) = e → z ∫ 0 R ϵ 0 ( Q r 4 π ϵ 0 R 3 ) 2 ( π r d r ) + e → z ∫ R ∞ ϵ 0 ( Q 4 π ϵ 0 r 2 ) 2 ( π r d r ) = 3 Q 2 64 π ϵ 0 R 2 e → z 2. 磁矢势的洛伦茨规范
已知 A → = μ 0 4 π ∫ j → ( x → ′ ) | r → | d V ′ , 其中 r → = x → − x → ′ . 记 ∇ ′ = ∂ ∂ x → ′ , 有:
边 界 无 电 流 稳 恒 磁 场 ∇ ⋅ A → ∝ ∇ ⋅ ∫ j → ( x → ′ ) | r → | d V ′ = ∫ j → ( x → ′ ) ∇ 1 r d V ′ ∇ 1 r = − ∇ ′ 1 r → = − ∫ j → ( x → ′ ) ∇ ′ 1 r d V ′ = − ∫ ∇ ′ ⋅ j → ( x → ′ ) r d V ′ ⏟ 边 界 无 电 流 = 0 + ∫ ∇ ′ ⋅ j → ( x → ′ ) r d V ′ ⏟ 稳 恒 磁 场 ∇ ⋅ j → = ∂ ρ ∂ t = 0 = 0 因此对于静磁场, ∂ t ϕ = 0 , 得到洛伦茨规范成立:
◻ ⋅ A → = 0 3. 静电场多极展开
(1) 零阶和一阶场
已知离散形式的电场: E → ( x → − x → ′ ) = 1 4 π ϵ 0 ∑ q ( x ′ ) x → − x → ′ | x → − x → ′ | 3 = E → 0 + E → 1 + ⋯ , 记 r = | x → | ≫ | x → ′ | , r ^ = x → r , 偶极矩 p → = ∑ q x → ′ , 则根据泰勒展开有:
E → 0 = E → ( x → ) = 1 4 π ϵ 0 ∑ q r ^ r 2 以及:
E → 1 = − x → ′ ⋅ ∇ E → ( x → ) = − x → ′ ⋅ ∇ 1 4 π ϵ 0 ∑ q r ^ r 2 = 1 4 π ϵ 0 ∑ q [ − r ^ r 2 + ( 3 x → ′ ⋅ r ^ ) r ^ r 3 ] = 1 4 π ϵ 0 − p → + 3 p → ⋅ r ^ r ^ r 3 (2) 小电荷体系受力矩
小电荷体系位于 r → ′ , 所受力矩可写作:
N → ( r → ′ ) = ∑ r → ′ × q E → ( r → ′ ) = ∑ p → × E → ( r → ′ ) = N → 0 + N → 1 + ⋯ 于是根据麦克劳林展开有:
N → 0 = ∑ q i 0 → × E → ( 0 ) = 0 N → 1 = ∑ r → ′ ⋅ ∇ q r → × E ( r → ) | r → = 0 = ∑ ∇ ( r → ′ ⋅ q r → × E ( r → ) ) | r → = 0 = ∑ ∇ ( q E → ( r → ) ⋅ r → ′ × r → ) | r → = 0 = ∑ q { E → × ( r → ′ × ( ∇ × r → ) ⏟ = 0 ) + ( r → ′ × r → ) × ( ∇ × E → ) ⏟ = 0 + r → ′ × ( E → ⋅ ∇ ) r → ⏟ = E → + ( ( r → ′ × r → ⏟ = 0 ) ⋅ ∇ ) E → } = ∑ q r → ′ × E → = p → × E → ( 0 ) 4. 均匀带电球的全空间能量
电荷分布
ρ ( r ) = { 3 Q 4 π R 3 r ≤ R 0 r > R 于是由电场散度得到电场的分布:
E → ( r ) = { Q r 4 π ϵ 0 R 3 r ≤ R Q 4 π ϵ 0 r 2 r > R 电势分布
ϕ ( r ) = { ∫ r R Q r 4 π ϵ 0 R 3 d r + ∫ R + ∞ Q 4 π ϵ 0 r 2 d r = Q 4 π ϵ 0 R ( 3 2 − r 2 2 R 2 ) r ≤ R − r > R 于是得到能量:
W = 1 2 ∫ 0 R ρ ( r ) ϕ ( r ) r 2 d r ∫ 0 π sin θ d θ ∫ 0 2 π d φ = 3 Q 2 20 π ϵ 0 R 同理
W = 1 2 ϵ 0 ∫ 0 + ∞ E 2 r 2 d r ∫ 0 π sin θ d θ ∫ 0 2 π d φ = 3 Q 2 20 π ϵ 0 R 5. 线性介质的静电场能量密度
已知:
∂ w ∂ t + ∇ ⋅ ( E → × H → ) = − E → ⋅ j → ( 1 ) ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t ( 2 ) ∇ × H → = j → + ∂ D → ∂ t ( 3 ) (3)带入(1)右侧得到:
E → ⋅ j → = E → ⋅ ( ∇ × H → − ∂ D → ∂ t ) = ( E → ⋅ ∇ × H → − H → ⋅ ∇ × E → ) + H → ⋅ ∇ × E → − E → ⋅ ∂ D → ∂ t = ( 2 ) − ∇ ⋅ ( E → × H → ) − H → ⋅ ∂ B → ∂ t − E → ⋅ ∂ D → ∂ t = − ∇ ⋅ ( E → × H → ) − 1 2 ∂ H → ⋅ B → ∂ t − 1 2 ∂ E → ⋅ D → ∂ t 所以在没有磁场时:
w = 1 2 E → ⋅ D → 6. 课本题
1.7
E → ( r ) = { 0 r < r 1 ρ f 4 π ϵ 4 3 π ( r 3 − r 1 3 ) r 2 = ρ f ( r 3 − r 1 3 ) 3 ε r 2 e → r r < r < r 2 ρ f 4 π ε 0 4 3 ( r 2 3 − r 1 3 ) r 2 = ρ f ( r 2 3 − r 3 3 ) 3 ε 0 r 2 e → r r > r 2
σ p = { [ p → ( r < r < r 2 ) − p → ( r < r 1 ) ] ⋅ ( − e → r ) = − ( ε − ε 0 ) ρ f ( r 3 − r r 3 ) 3 ε r 2 = 0 r = r 1 [ p → ( r 1 < r < r 2 ) − p → ( r > r 2 ) ] ⋅ e → r = ( ε − ε 0 ) ρ f ( r 2 3 − r 1 3 ) 3 ε r 2 r = r 2 ρ p = − ∇ ⋅ P → ( r 1 < r < r 2 ) = − ( 1 − ε 0 ε ) ρ f 3 [ ∇ ⋅ r → − r 1 3 ∇ ⋅ r → r 3 ] = − ( 1 − ε 0 ε ) ρ f r 1 < r < r 2 1.9
ρ f = − ∇ ⋅ P → = − ∇ ⋅ ( ϵ − ϵ 0 ) E → ∇ ⋅ E → = ρ f ϵ → = − ( 1 − ε 0 ε ) ρ f 2.1
ρ p ( r < R ) = − ∇ ⋅ p → = − k ∇ ⋅ r → r 2 = − k [ 3 r 2 − 2 ( x 2 + y 2 + z 2 ) r 4 ] = − k / r 2 σ p ( r = R ) = p → ⋅ e → r | r = R = k / R
ρ f = ρ p / ( ε p ε − 1 ) = k ( 1 − ε 0 ε ) r 2 ( r < R )
E ( r ) = { ∫ 0 R ∫ 0 π ∫ 0 2 π ρ f r 2 sin θ d r d θ d φ ⋅ 1 4 π ε 0 r 2 = k R ( 1 − ε 0 ε ) ε 0 r 2 e → r r ≥ R ∫ 0 r ∫ 0 π ∫ 0 2 π ρ f r 2 sin θ d r d θ d φ ⋅ 1 4 π ε r 2 = k ( 1 − ε 0 ε ) ε r e → r 0 < r < R ∴ φ ( r ) = { ∫ r + ∞ E ( r ≥ R ) d r = k R ( 1 − ε 0 ε ) ε 0 r r ≥ R ∫ R + ∞ E ( r ≥ R ) d r + ∫ r R E ( r < R ) d r = k ε − ε 0 ( ε ε 0 + ln R r ) r < R
w = 1 2 ∫ ρ f φ = 1 2 ∫ 0 R ρ f ( r < R ) φ ( r < R ) r 2 d r ∫ 0 π sin θ d θ ∫ 0 2 π d φ = 2 π ε k 2 ( ε − ε 0 ) 2 ⋅ ∫ 0 R ( ε ε 0 + ln R r ) d r = 2 π ε ( ε + ε 0 ) k 2 ε 0 ( ε − ε 0 ) 2 R 7. 场源不分离的极化场的电势
(a)
记源点 r → , 场点 r → ′ , 相对位移 R → = r → − r → ′ , 于是单个电荷 q , r → 在 R 0 球内产生的平均电场可以写作
E → a v e ( r → ) = 1 V ′ ∫ q ( − e → R ) 4 π ϵ 0 R 2 d V ′ ρ = − q V ′ → = 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ e R → R 2 d V ′ = E → ρ ( r → ) 等于均匀带电球在球内 r → 产生的平均电场 E → ρ , 将 q 的数量增加到球内电荷的数目, 记每个电荷为 q i , r → i , 产生的等效量是 E → ρ i , ρ i , 于是由高斯定理和叠加原理得到:
E ρ i ⋅ 4 π r i 2 = ρ i ϵ 0 ⋅ 4 3 π r i 3 → E → a v e = ∑ E → ρ i = ∑ ρ i ⋅ 4 3 π r i 3 e → r i ϵ 0 4 π r i 2 = − ∑ q i r i → 4 π ϵ 0 R 0 3 = − p → 4 π ϵ 0 R 0 3 记极化强度 P → = p → V ′ , 得到
E → a v e = − P → 3 ϵ 0 (b)
设 P → = P e → z , p → = P → V 则 σ p = P → ⋅ n → = P cos θ , 求解:
∇ 2 φ = 0 已知边界条件:
{ φ ( r = 0 ) = 0 φ ( R 0 − ) = φ ( R 0 + ) ∂ ∂ r φ ( R 0 − ) − ∂ ∂ r φ ( R 0 + ) = σ p ϵ 0 φ ( r ≫ R 0 ) = p → ⋅ r → 4 π ϵ 0 r 3 得到:
φ ( r < R 0 ) = 1 3 ϵ 0 P z E → ( r < R 0 ) = − ∇ φ ( r < R 0 ) = − P → 3 ϵ 0 (c)
由于 r → ′ ≫ r → , 球外电荷 r → ′ , q 在球内(遍历 r → )的平均电场, 与场点 r → 处的电场相同, 即球内电场近似均匀, 同时
E → a v e = 1 V ∫ q ( − e → R ) 4 π ϵ 0 R 2 d V r → ′ ≫ r → , R → = r → ′ − r → → = q ( − e → r ′ ) 4 π ϵ 0 r ′ 2 第二个等号只保留了零阶项, 即等于外部电荷在球心处的电场.
8. poison 方程猜想解
L = ∑ 1 2 ( ∂ i φ ) 2 − ρ φ ϵ 0 = 1 2 ( ∇ φ ) 2 + φ ∇ 2 φ = − 1 2 ( ∇ φ ) 2 + 1 2 ∇ 2 φ 2
∇ 2 φ + ρ ϵ 0 = 0 9. 静电势的球谐展开
数理方程中提到, 勒让德函数的母函数表示是:
( 1 − 2 x t + t 2 ) − 1 2 = ∑ 0 + ∞ P n ( x ) t n | t | < 1 将 t = r ′ r , x = cos α 代入上式就可以得到 (14). 于是可以求解球谐系数:
ϕ ( x → ) = ∑ ∑ 4 π 2 l + 1 q l m r − ( l + 1 ) Y l m = 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ ( x → ′ ) | x → − x → ′ | d V ′ ( 14 ) → = 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ ( x → ′ ) ∑ r ′ l r − ( l + 1 ) P l ( cos α ) d V ′ ( 15 ) → = ∑ ∑ 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ ( x → ′ ) r ′ l r − ( l + 1 ) 4 π 2 l + 1 Y l m ∗ ( θ ′ , φ ′ ) Y l m ( θ , φ ) d V ′ = ∑ ∑ 4 π 2 l + 1 ( 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ ( x → ′ ) r ′ l Y l m ∗ ( θ ′ , φ ′ ) d V ′ ) r − ( l + 1 ) Y l m 于是 q l m = 1 4 π ϵ 0 ∫ ρ ( x → ′ ) r ′ l Y l m ∗ ( θ ′ , φ ′ ) d V ′ .
# 补充 1. 电磁场的拉氏量是猜出来的吗?
补充 2. 球谐函数
第九题的泊松方程课上已经用 green 函数求解讲过. 来看更简单的 Laplace 方程. 三维拉普拉斯方程方程在球坐标下:
Δ u = ∇ 2 u = ∇ ⋅ ∇ u = 0 = 1 r 2 ∂ ∂ r ( r 2 ∂ u ∂ r ) + 1 r 2 sin θ ∂ ∂ θ ( sin θ ∂ u ∂ θ ) + 1 r 2 sin 2 θ ∂ 2 u ∂ 2 φ 分离变量 u ( r , θ , φ ) = R ( r ) Y ( θ , φ ) , 得到
1 R d d r ( r 2 d R d r ) = − 1 Y ( 1 sin θ ∂ ∂ θ ( sin θ ∂ Y ∂ θ ) − 1 sin 2 θ ∂ 2 Y ∂ ϕ 2 ) = λ 1. 径向衰减
常常选取 λ = l ( l + 1 ) , 于是
d d r ( r 2 d R d r ) − l ( l + 1 ) R = 0 这是欧拉方程, 根据换元 r = e s 得到它的通解是
R ( r ) = A r l + B r − ( l + 1 ) , l ≥ 0 通常情况下, 场不会传播到无穷远处, 也就是说, 在解 R ( r ) 的定义域中包含 r = ∞ 时, 因为 r l → ∞ 不合适, 所以通常取 A = 0 . 同理, 在解的定义域包含 r = 0 时, 通常取 B = 0 .
2. 球面谐波
由上述已知
1 sin θ ∂ ∂ θ ( sin θ ∂ Y ∂ θ ) − 1 sin 2 θ ∂ 2 Y ∂ ϕ 2 + l ( l + 1 ) Y = 0 进一步分离变量 Y ( θ , φ ) = Θ ( θ ) Φ ( φ ) , 有
{ d 2 Φ d 2 φ + m 2 Φ = 0 Φ ( φ ) = Φ ( φ + 2 π ) a n d sin θ d d θ ( sin θ d Θ d θ ) + [ ( l + 1 ) l sin 2 θ − m 2 ] Θ = 0 第一个方程没什么好说的, 解是 Φ m ( φ ) = e i m φ , 对第二个方程做和数理课上一样的换元 θ = arccos x , 得到
( 1 − x 2 ) d 2 Θ d x 2 − 2 x d Θ d x + [ l ( l + 1 ) − m 2 1 − x 2 ] Θ = 0 ⋯ ⋯ ( 1 ) 被称为连带勒让德方程, 特别的当 m = 0 时变成勒让德方程, 他的解就是勒让德函数 P l ( x ) .
做换元 y ( x ) = Θ ( x ) ( 1 − x 2 ) − m 2 , 可得到
Θ = ( 1 − x 2 ) m 2 y Θ ′ = ( 1 − x 2 ) m 2 y ′ − m ( 1 − x 2 ) m 2 − 1 x y Θ ″ = ( 1 − x 2 ) m 2 y ′ ′ − 2 m ( 1 − x 2 ) m 2 − 1 x y ′ − m ( 1 − x 2 ) m 2 − 1 y + m ( m − 2 ) ( 1 − x 2 ) m 2 − 2 x 2 y ⇓ ( 1 − x 2 ) y ′ ′ − 2 ( m + 1 ) x y ′ + [ l ( l + 1 ) − m ( m + 1 ) ] y = 0 ⋯ ⋯ ( 2 ) 将上式与与下面的勒让德方程(式 ( 1 ) )做比较, 注意下面的方程还没有做 y ( x ) = Θ ( x ) ( 1 − x 2 ) − m 2 的换元.
( 1 − x 2 ) d 2 P l d x 2 − 2 x d P l d x + l ( l + 1 ) P l = 0 对它求导 m 次, 记 P ( m ) 表示对 P 求 m 次导, 注意到 P l ( x ) 是 l 阶多项式, 可以得到
0 = [ ( 1 − x 2 ) P l ( m + 2 ) − 2 m x P l ( m + 1 ) − m ( m − 1 ) P l ( m ) ] − 2 [ x P l ( m + 1 ) + m P l ( m ) ] + l ( l + 1 ) P l ( m ) = ( 1 − x 2 ) P l ( m + 2 ) − 2 ( m + 1 ) x P l ( m + 1 ) + [ l ( l + 1 ) − m ( m + 1 ) ] P l ( m ) 恰好和 ( 2 ) 式形式一致, 也就是说如果将方程 ( 1 − x 2 ) d 2 Θ d x 2 − 2 x d Θ d x + [ l ( l + 1 ) − m 2 1 − x 2 ] Θ = 0 的解记为连带勒让德函数 P l m ( x ) , 那么
P l m ( x ) = ( 1 − x 2 ) m 2 d m d x m P l ( x ) , | m | ≤ l 最后的球谐函数就是
Y l m ( θ , φ ) = P l m ( cos θ ) Φ m ( φ ) 如果要归一化 Y , 也就是令 ∫ 0 2 π d φ ∫ 0 π Y l m ( θ , φ ) sin θ d θ = 1 , 可以得到归一化的球谐函数:
Y l m ( θ , φ ) = 1 2 π 2 l + 1 2 ( l − m ) ! ( l + m ) ! P l m ( cos θ ) e i m φ 于是通解表示为
u ( r , θ , φ ) = ∑ l = 0 ∞ ∑ m = − l l ( A r l + B r − ( l + 1 ) ) 1 2 π 2 l + 1 2 ( l − m ) ! ( l + m ) ! P l m ( cos θ ) e i m φ 另外, 连带勒让德函数的前几项为:
P 0 0 ( x ) = 1 , P 1 0 ( x ) = x , P 1 1 ( x ) = − 1 − x 2 , P 2 0 ( x ) = 1 2 ( 3 x 2 − 1 ) , P 2 1 ( x ) = − 3 x 1 − x 2 , P 2 2 ( x ) = 3 ( 1 − x 2 ) , P 3 0 ( x ) = 1 2 ( 5 x 3 − 3 x ) , P 3 1 ( x ) = − 3 2 ( 5 x 2 − 1 ) 1 − x 2 , P 3 2 ( x ) = 15 x ( 1 − x 2 ) , P 3 3 ( x ) = − 15 ( 1 − x 2 ) 3 / 2 .
在静磁学中, 如果场点不存在电流, 那么磁感应强度可以表示成磁标势的梯度 B → = − ∇ Φ m , 并且 ∇ 2 Φ m = 0 .
归一化球谐函数中, Y 1 0 ( θ ) = 3 4 π cos θ ∝ cos θ = z r , R 1 ( r ) = A r + B r 2 = B r 2 (取 A = 0 ). 于是 Φ m 的一个解可以写作
Φ p o l e ( r , θ , φ ) = C r 2 cos θ 求梯度得到
B → = − ( ∂ r Φ p o l e , 1 r ∂ θ Φ p o l e , 0 ) = C ⋅ ( 2 cos θ r 3 , sin θ r 3 , 0 ) 回忆课上所学到的磁偶极子在远处的磁场表达式:
B → = μ 0 4 π 3 ( n → ⋅ m → ) n → − m → r 3 = μ 0 4 π 3 cos θ e → r − e → z r 3 = μ 0 4 π 3 cos θ e → r − ( cos θ e → r − sin θ e → θ ) r 3 = μ 0 4 π 2 cos θ e → r + sin θ e → θ r 3 发现两式形式一致, 只要取 C = μ 0 4 π , 就可以用球谐函数描述偶极磁场.
另外, 由于 Y 1 ± 1 是虚数, 所以选取它们的实数线性组合 Y 1 x = Y 1 1 + Y 1 − 1 2 和 Y 1 y = Y 1 1 − Y 1 − 1 i 2 , 显然 Y 1 x ∝ sin θ cos φ = x r , Y 1 y ∝ sin θ sin φ = y r . 对于三维旋转, 考察球坐标的变换, 比如绕 y 轴旋转矩阵, 直角坐标系中的变换矩阵是
R y ( β ) = ( cos β 0 sin β 0 1 0 − sin β 0 cos β ) 即:
θ ′ = arccos ( z ′ r ) = arccos ( − x sin β + z cos β r ) = arccos ( − sin θ cos φ sin β + cos θ cos β ) φ ′ = arctan 2 ( y ′ , x ′ ) = arctan 2 ( y , x cos β + z sin β ) = arctan 2 ( sin θ sin φ , sin θ cos φ cos β + cos θ sin β ) 如果取 β = π 2 , 就有
θ ′ = arccos ( − sin θ cos φ ) φ ′ = arctan ( sin θ sin φ cos θ ) 也就是说
Y 1 x ( θ ′ , φ ′ ) ∝ sin θ ′ cos φ ′ = sin ( arccos ( − sin θ cos φ ) ) ⋅ cos ( arctan ( sin θ sin φ cos θ ) ) = 1 − ( sin θ cos φ ) 2 ⋅ 1 1 + ( sin θ sin φ cos θ ) 2 = 1 − ( sin θ cos φ ) 2 ⋅ cos θ cos 2 θ + ( sin θ sin φ ) 2 = cos θ ∝ Y 1 0 ( θ ) 因此, Y 1 x 描述沿 x 轴方向的磁偶极子, 类似的知道 Y 1 y 描述沿 y 轴方向的磁偶极子. 在量子力学里面(量C不讲这个东西), 上面的旋转操作可以用 W i n g e r − D 矩阵作用于球谐函数得到, 这个矩阵的数值形状很丑, 可以在在 M M A (M a t h e m a t i c a )中直接调用 W i n g e r − D 函数快速完成.
同理, 对于归一化球谐函数 Y 2 0 ( θ ) = 5 16 π ( 3 cos 2 θ − 1 ) , 磁标势 Φ quad ( r , θ ) = R ⋅ g 2 0 ( R r ) 3 5 16 π ( 3 cos 2 θ − 1 ) , g 2 0 为常数, 计算得到
B r = − ∂ Φ ∂ r = 3 g 2 0 ( R 4 r 4 ) 5 16 π ( 3 cos 2 θ − 1 ) B θ = − 1 r ∂ Φ ∂ θ = 3 g 2 0 ( R 4 r 4 ) 5 16 π sin 2 θ B φ = 0 关于球谐系数 g l m 的具体拟合值, 可在第 14 版国际参考地磁场(IGRF)的官方文件 中查阅. 对于 m ≠ 0 的球谐函数, 同样选取他们的实数线性组合, 可以得到他们表示的四极场只是 Y 2 0 ( θ ) 的旋转, 但是形式更加复杂.
3. 球谐系数
现在需要确定系数 B l m , 假设 A = 0 , 通解写成:
u ( r , θ , φ ) = ∑ l = 0 ∞ ∑ m = − l l B l m r l + 1 Y l m ( θ , φ ) 其中 Y l m ( θ , φ ) = ( 2 l + 1 ) 4 π ( l − m ) ! ( l + m ) ! P l m ( cos θ ) e i m φ , 它是正交归一化的:
∫ 0 2 π ∫ 0 π Y l m ( θ , φ ) Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) sin θ d θ d φ = δ l l ′ δ m m ′ 将通解两边乘以 Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) , 然后积分:
∫ 0 2 π ∫ 0 π u ( r , θ , φ ) Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) sin θ d θ d φ = ∑ l = 0 ∞ ∑ m = − l l B l m r l + 1 ∫ 0 2 π ∫ 0 π Y l m ( θ , φ ) Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) sin θ d θ d φ 利用正交归一关系, 右边只剩下 l = l ′ 且 m = m ′ 时的项:
∫ 0 2 π ∫ 0 π u ( r , θ , φ ) Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) sin θ d θ d φ = B l ′ m ′ r l ′ + 1 倘若已知边界条件 u ( r , θ , φ ) | r = R = u R ( θ , φ ) , 就可解出:
B l ′ m ′ = R l ′ + 1 ∫ 0 2 π ∫ 0 π u ( R , θ , φ ) Y l ′ m ′ ∗ ( θ , φ ) sin θ d θ d φ 这就是拉普拉斯方程通解对应的球谐系数. 不同的边界条件会得到不同的系数表达式, 上述只是较为简单的一种.