Answer_for_HW4

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1. 带电半球受力

带电球电场:

E(r)={Qr4πϵ0R3er,rRQ4πϵ0r2er,r>R

得到:

Tij=ϵ0EiEj12ϵ0E2δijTxz=Tyz=0,Tzz=12ϵ0E2,at z=0

rTdS0 忽略, 则:

F=ezTzzdSz=ez0(12ϵ0E2)(2πrdr)=ez0Rϵ0(Qr4πϵ0R3)2(πrdr)+ezRϵ0(Q4πϵ0r2)2(πrdr)=3Q264πϵ0R2ez

2. 磁矢势的洛伦茨规范

已知 A=μ04πj(x)|r|dV, 其中 r=xx. 记 =x, 有:

Aj(x)|r| dV=j(x)1r dV1r=1r=j(x)1r dV=j(x)r dV=0+j(x)r dVj=ρt=0=0

因此对于静磁场, tϕ=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(xx)=14πϵ0q(x)xx|xx|3=E0+E1+, 记 r=|x||x|, r^=xr, 偶极矩 p=qx, 则根据泰勒展开有:

E0=E(x)=14πϵ0qr^r2

以及:

E1=xE(x)=x14πϵ0qr^r2=14πϵ0q[r^r2+(3xr^)r^r3]=14πϵ0p+3pr^r^r3

(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×qE(r)=p×E(r)=N0+N1+

于是根据麦克劳林展开有:

N0=qi0×E(0)=0N1=rqr×E(r)|r=0=(rqr×E(r))|r=0=(qE(r)r×r)|r=0=q{E×(r×(×r)=0)+(r×r)×(×E)=0+r×(E)r=E+((r×r=0))E}=qr×E=p×E(0)

4. 均匀带电球的全空间能量

电荷分布

ρ(r)={3Q4πR3rR0r>R

于是由电场散度得到电场的分布:

E(r)={Qr4πϵ0R3rRQ4πϵ0r2r>R

电势分布

ϕ(r)={rRQr4πϵ0R3dr+R+Q4πϵ0r2dr=Q4πϵ0R(32r22R2)rRr>R

于是得到能量:

W=120Rρ(r)ϕ(r) r2dr0πsinθdθ02πdφ=3Q220πϵ0R

同理

W=12ϵ00+E2 r2dr0πsinθdθ02πdφ=3Q220πϵ0R

5. 线性介质的静电场能量密度

已知:

wt+(E×H)=Ej(1)×E=Bt(2)×H=j+Dt(3)

(3)带入(1)右侧得到:

Ej=E(×HDt)=(E×HH×E)+H×EEDt=(2)(E×H)HBtEDt=(E×H)12HBt12EDt

所以在没有磁场时:

w=12ED

6. 课本题

1.7

E(r)={0r<r1ρf4πϵ43π(r3r13)r2=ρf(r3r13)3εr2err<r<r2ρf4πε043(r23r13)r2=ρf(r23r33)3ε0r2err>r2 σp={[p(r<r<r2)p(r<r1)](er)=(εε0)ρf(r3rr3)3εr2=0r=r1[p(r1<r<r2)p(r>r2)]er=(εε0)ρf(r23r13)3εr2r=r2ρp=P(r1<r<r2)=(1ε0ε)ρf3[rr13rr3]=(1ε0ε)ρfr1<r<r2

1.9

ρf=P=(ϵϵ0)EE=ρfϵ=(1ε0ε)ρf

2.1

ρp(r<R)=p=krr2=k[3r22(x2+y2+z2)r4]=k/r2σp(r=R)=per|r=R=k/R ρf=ρp/(εpε1)=k(1ε0ε)r2(r<R) E(r)={0R0π02πρf r2sinθdrdθdφ14πε0r2=kR(1ε0ε)ε0r2errR0r0π02πρf r2sinθdrdθdφ14πεr2=k(1ε0ε)εrer0<r<Rφ(r)={r+E(rR)dr=kR(1ε0ε)ε0rrRR+E(rR)dr+rRE(r<R)dr=kεε0(εε0+lnRr)r<R w=12ρfφ=120Rρf(r<R)φ(r<R)r2dr0πsinθdθ02πdφ=2πεk2(εε0)20R(εε0+lnRr)dr=2πε(ε+ε0)k2ε0(εε0)2R

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=rr, 于是单个电荷 q,rR0 球内产生的平均电场可以写作

Eave(r)=1Vq(eR)4πϵ0R2dVρ=qV=14πϵ0ρeRR2dV=Eρ(r)

等于均匀带电球在球内 r 产生的平均电场 Eρ, 将 q 的数量增加到球内电荷的数目, 记每个电荷为 qi,ri, 产生的等效量是 Eρi,ρi, 于是由高斯定理和叠加原理得到:

Eρi4πri2=ρiϵ043πri3Eave=Eρi=ρi43πri3eriϵ04πri2=qiri4πϵ0R03=p4πϵ0R03

记极化强度 P=pV, 得到

Eave=P3ϵ0

(b)

P=Pez, p=PVσp=Pn=Pcosθ, 求解:

2φ=0

已知边界条件:

{φ(r=0)=0φ(R0)=φ(R0+)rφ(R0)rφ(R0+)=σpϵ0φ(rR0)=pr4πϵ0r3

得到:

φ(r<R0)=13ϵ0PzE(r<R0)=φ(r<R0)=P3ϵ0

(c)

由于 rr, 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

Eave=1Vq(eR)4πϵ0R2dVrr, R=rr=q(er)4πϵ0r2

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=12(iφ)2ρφϵ0=12(φ)2+φ2φ=12(φ)2+122φ2 2φ+ρϵ0=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:

(12xt+t2)12=0+Pn(x)tn|t|<1

t=rr, x=cosα 代入上式就可以得到 (14). 于是可以求解球谐系数:

ϕ(x)=4π2l+1qlmr(l+1)Ylm=14πϵ0ρ(x)|xx|dV(14)=14πϵ0ρ(x)rlr(l+1)Pl(cosα)dV(15)=14πϵ0ρ(x)rlr(l+1)4π2l+1Ylm(θ,φ)Ylm(θ,φ)dV=4π2l+1(14πϵ0ρ(x)rlYlm(θ,φ) dV)r(l+1)Ylm

于是 qlm=14πϵ0ρ(x)rlYlm(θ,φ) dV.

# 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:

Δu=2u=u=0=1r2r(r2ur)+1r2sinθθ(sinθuθ)+1r2sin2θ2u2φ

分离变量 u(r,θ,φ)=R(r)Y(θ,φ), 得到

1Rddr(r2dRdr)=1Y(1sinθθ(sinθYθ)1sin2θ2Yϕ2)=λ

1. 径向衰减

常常选取 λ=l(l+1), 于是

ddr(r2dRdr)l(l+1)R=0

这是欧拉方程, 根据换元 r=es 得到它的通解是

R(r)=Arl+Br(l+1),l0

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 rl 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

1sinθθ(sinθYθ)1sin2θ2Yϕ2+l(l+1)Y=0

进一步分离变量 Y(θ,φ)=Θ(θ)Φ(φ), 有

{d2Φd2φ+m2Φ=0Φ(φ)=Φ(φ+2π)andsinθddθ(sinθdΘdθ)+[(l+1)lsin2θm2]Θ=0

第一个方程没什么好说的, 解是 Φm(φ)=eimφ, 对第二个方程做和数理课上一样的换元 θ=arccosx, 得到

(1x2)d2Θdx22xdΘdx+[l(l+1)m21x2]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 Pl(x).

做换元 y(x)=Θ(x)(1x2)m2, 可得到

Θ=(1x2)m2yΘ=(1x2)m2ym(1x2)m21xyΘ=(1x2)m2y2m(1x2)m21xym(1x2)m21y+m(m2)(1x2)m22x2y(1x2)y2(m+1)xy+[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)(1x2)m2 的换元.

(1x2)d2Pldx22xdPldx+l(l+1)Pl=0

对它求导 m 次, 记 P(m) 表示对 Pm 次导, 注意到 Pl(x)l 阶多项式, 可以得到

0=[(1x2)Pl(m+2)2mxPl(m+1)m(m1)Pl(m)]2[xPl(m+1)+mPl(m)]+l(l+1)Pl(m)=(1x2)Pl(m+2)2(m+1)xPl(m+1)+[l(l+1)m(m+1)]Pl(m)

恰好和 (2) 式形式一致, 也就是说如果将方程 (1x2)d2Θdx22xdΘdx+[l(l+1)m21x2]Θ=0 的解记为连带勒让德函数 Plm(x), 那么

Plm(x)=(1x2)m2dmdxmPl(x),|m|l

最后的球谐函数就是

Ylm(θ,φ)=Plm(cosθ)Φm(φ)

如果要归一化 Y, 也就是令 02πdφ0πYlm(θ,φ)sinθdθ=1, 可以得到归一化的球谐函数:

Ylm(θ,φ)=12π2l+12(lm)!(l+m)! Plm(cosθ)eimφ

于是通解表示为

u(r,θ,φ)=l=0m=ll(Arl+Br(l+1))12π2l+12(lm)!(l+m)! Plm(cosθ)eimφ

另外, 连带勒让德函数的前几项为:

P00(x)=1,P10(x)=x,P11(x)=1x2,P20(x)=12(3x21),P21(x)=3x1x2,P22(x)=3(1x2),P30(x)=12(5x33x),P31(x)=32(5x21)1x2,P32(x)=15x(1x2),P33(x)=15(1x2)3/2.

2.1 Y1m 和偶极场

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=Φm, 并且 2Φm=0.

归一化球谐函数中, Y10(θ)=34πcosθcosθ=zr, R1(r)=Ar+Br2=Br2 (取 A=0). 于是 Φm 的一个解可以写作

Φpole(r,θ,φ)=Cr2cosθ

求梯度得到

B=(rΦpole, 1rθΦpole, 0)=C(2cosθr3, sinθr3, 0)

回忆课上所学到的磁偶极子在远处的磁场表达式:

B=μ04π3(nm)nmr3=μ04π3cosθerezr3=μ04π3cosθer(cosθersinθeθ)r3=μ04π2cosθer+sinθeθr3

发现两式形式一致, 只要取 C=μ04π, 就可以用球谐函数描述偶极磁场.

另外, 由于 Y1±1 是虚数, 所以选取它们的实数线性组合 Y1x=Y11+Y112Y1y=Y11Y11i2, 显然 Y1xsinθcosφ=xr, Y1ysinθsinφ=yr. 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

Ry(β)=(cosβ0sinβ010sinβ0cosβ)

即:

θ=arccos(zr)=arccos(xsinβ+zcosβr)=arccos(sinθcosφsinβ+cosθcosβ)φ=arctan2(y, x)=arctan2(y, xcosβ+zsinβ)=arctan2(sinθsinφ, sinθcosφcosβ+cosθsinβ)

如果取 β=π2, 就有

θ=arccos(sinθcosφ)φ=arctan(sinθsinφcosθ)

也就是说

Y1x(θ,φ)sinθcosφ=sin(arccos(sinθcosφ))  cos(arctan(sinθsinφcosθ))=1(sinθcosφ)2  11+(sinθsinφcosθ)2=1(sinθcosφ)2  cosθcos2θ+(sinθsinφ)2=cosθY10(θ)

因此, Y1x 描述沿 x 轴方向的磁偶极子, 类似的知道 Y1y 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 WingerD 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 MMA (Mathematica)中直接调用 WingerD 函数快速完成.

2.2 Y2m 和四极场

同理, 对于归一化球谐函数 Y20(θ)=516π(3cos2θ1), 磁标势 Φquad(r,θ)=Rg20(Rr)3516π(3cos2θ1), g20 为常数, 计算得到

Br=Φr=3g20(R4r4)516π(3cos2θ1)Bθ=1rΦθ=3g20(R4r4)516πsin2θBφ=0

关于球谐系数 glm 的具体拟合值, 可在第 14国际参考地磁场(IGRF)的官方文件 中查阅. 对于 m0 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 Y20(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 Blm, 假设 A=0, 通解写成:

u(r,θ,φ)=l=0m=llBlmrl+1Ylm(θ,φ)

其中 Ylm(θ,φ)=(2l+1)4π(lm)!(l+m)!Plm(cosθ)eimφ, 它是正交归一化的:

02π0πYlm(θ,φ)Ylm(θ,φ)sinθdθdφ=δllδmm

将通解两边乘以 Ylm(θ,φ), 然后积分:

02π0πu(r,θ,φ)Ylm(θ,φ)sinθdθdφ=l=0m=llBlmrl+102π0πYlm(θ,φ)Ylm(θ,φ)sinθdθdφ

利用正交归一关系, 右边只剩下 l=lm=m 时的项:

02π0πu(r,θ,φ)Ylm(θ,φ)sinθdθdφ=Blmrl+1

倘若已知边界条件 u(r,θ,φ)|r=R=uR(θ,φ), 就可解出:

Blm=Rl+102π0πu(R,θ,φ)Ylm(θ,φ)sinθdθdφ

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.