Answer_for_HW4

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1 带电半球受力

带电球电场:

E→(r)={Qr4πϵ0R3e→r,r≤RQ4πϵ0r2e→r,r>R

得到:

Tij=ϵ0EiEj−12ϵ0E2δij→Txz=Tyz=0,Tzz=−12ϵ0E2,at z=0

r→∞ 时 ∫T⋅dS→→0 忽略, 则:

F→=e→z∫TzzdSz=e→z∫0∞(−12ϵ0E2)(−2πrdr)=e→z∫0Rϵ0(Qr4πϵ0R3)2(πrdr)+e→z∫R∞ϵ0(Q4πϵ0r2)2(πrdr)=3Q264πϵ0R2e→z

2 磁矢势的洛伦茨规范

已知 A→=μ04π∫j→(x→′)|r→|dV′, 其中 r→=x→−x→′. 记 ∇′=∂∂x→′, 有:

∇⋅A→∝∇⋅∫j→(x→′)|r→| dV′=∫j→(x→′)∇1r dV′∇1r=−∇′1r→=−∫j→(x→′)∇′1r dV′=−∫∇′⋅j→(x→′)r dV′⏟边界无电流=0+∫∇′⋅j→(x→′)r dV′⏟稳恒磁场∇⋅j→=∂ρ∂t=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

3.1 (1) 零阶和一阶场

已知离散形式的电场: E→(x→−x→′)=14πϵ0∑q(x′)x→−x→′|x→−x→′|3=E→0+E→1+⋯, 记 r=|x→|≫|x→′|, r^=x→r, 偶极矩 p→=∑qx→′, 则根据泰勒展开有:

E→0=E→(x→)=14πϵ0∑qr^r2

以及:

E→1=−x→′⋅∇E→(x→)=−x→′⋅∇14πϵ0∑qr^r2=14πϵ0∑q[−r^r2+(3x→′⋅r^)r^r3]=14πϵ0−p→+3p→⋅r^r^r3

3.2 (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→′)=N→0+N→1+⋯

于是根据麦克劳林展开有:

N→0=∑qi0→×E→(0)=0N→1=∑r→′⋅∇qr→×E(r→)|r→=0=∑∇(r→′⋅qr→×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)={3Q4πR3r≤R0r>R

于是由电场散度得到电场的分布:

E→(r)={Qr4πϵ0R3r≤RQ4πϵ0r2r>R

电势分布

ϕ(r)={∫rRQr4πϵ0R3dr+∫R+∞Q4πϵ0r2dr=Q4πϵ0R(32−r22R2)r≤R−r>R

于是得到能量:

W=12∫0Rρ(r)ϕ(r) r2dr∫0πsin⁡θdθ∫02πdφ=3Q220πϵ0R

同理

W=12ϵ0∫0+∞E2 r2dr∫0πsin⁡θdθ∫02πdφ=3Q220πϵ0R

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→)−12∂H→⋅B→∂t−12∂E→⋅D→∂t

所以在没有磁场时:

w=12E→⋅D→

6 课本题

6.1 1.7

E→(r)={0r<r1ρf4πϵ43π(r3−r13)r2=ρf(r3−r13)3εr2e→rr<r<r2ρf4πε043(r23−r13)r2=ρf(r23−r33)3ε0r2e→rr>r2 σp={[p→(r<r<r2)−p→(r<r1)]⋅(−e→r)=−(ε−ε0)ρf(r3−rr3)3εr2=0r=r1[p→(r1<r<r2)−p→(r>r2)]⋅e→r=(ε−ε0)ρf(r23−r13)3εr2r=r2ρp=−∇⋅P→(r1<r<r2)=−(1−ε0ε)ρf3[∇⋅r→−r13∇⋅r→r3]=−(1−ε0ε)ρfr1<r<r2

6.2 1.9

ρf=−∇⋅P→=−∇⋅(ϵ−ϵ0)E→∇⋅E→=ρfϵ→=−(1−ε0ε)ρf

6.3 2.1

ρp(r<R)=−∇⋅p→=−k∇⋅r→r2=−k[3r2−2(x2+y2+z2)r4]=−k/r2σp(r=R)=p→⋅e→r|r=R=k/R ρf=ρp/(εpε−1)=k(1−ε0ε)r2(r<R) E(r)={∫0R∫0π∫02πρf r2sin⁡θdrdθdφ⋅14πε0r2=kR(1−ε0ε)ε0r2e→rr≥R∫0r∫0π∫02πρf r2sin⁡θdrdθdφ⋅14πεr2=k(1−ε0ε)εre→r0<r<R∴φ(r)={∫r+∞E(r≥R)dr=kR(1−ε0ε)ε0rr≥R∫R+∞E(r≥R)dr+∫rRE(r<R)dr=kε−ε0(εε0+ln⁡Rr)r<R w=12∫ρfφ=12∫0Rρf(r<R)φ(r<R)r2dr∫0πsin⁡θdθ∫02πdφ=2πεk2(ε−ε0)2⋅∫0R(εε0+ln⁡Rr)dr=2πε(ε+ε0)k2ε0(ε−ε0)2R

7 场源不分离的极化场的电势

7.1 (a)

记源点 r→, 场点 r→′, 相对位移 R→=r→−r→′, 于是单个电荷 q,r→ 在 R0 球内产生的平均电场可以写作

E→ave(r→)=1V′∫q(−e→R)4πϵ0R2dV′ρ=−qV′→=14πϵ0∫ρeR→R2dV′=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 qi,r→i, 产生的等效量是 E→ρi,ρi, 于是由高斯定理和叠加原理得到:

Eρi⋅4πri2=ρiϵ0⋅43πri3→E→ave=∑E→ρi=∑ρi⋅43πri3e→riϵ04πri2=−∑qiri→4πϵ0R03=−p→4πϵ0R03

记极化强度 P→=p→V′, 得到

E→ave=−P→3ϵ0

7.2 (b)

设 P→=Pe→z, p→=P→V 则 σp=P→⋅n→=Pcos⁡θ, 求解:

∇2φ=0

已知边界条件:

{φ(r=0)=0φ(R0−)=φ(R0+)∂∂rφ(R0−)−∂∂rφ(R0+)=σpϵ0φ(r≫R0)=p→⋅r→4πϵ0r3

得到:

φ(r<R0)=13ϵ0PzE→(r<R0)=−∇φ(r<R0)=−P→3ϵ0

7.3 (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→ave=1V∫q(−e→R)4πϵ0R2dVr→′≫r→, R→=r→′−r→→=q(−e→r′)4πϵ0r′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=∑12(∂iφ)2−ρφϵ0=12(∇φ)2+φ∇2φ=−12(∇φ)2+12∇2φ2 ∇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:

(1−2xt+t2)−12=∑0+∞Pn(x)tn|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→)=∑∑4π2l+1qlmr−(l+1)Ylm=14πϵ0∫ρ(x→′)|x→−x→′|dV′(14)→=14πϵ0∫ρ(x→′)∑r′lr−(l+1)Pl(cos⁡α)dV′(15)→=∑∑14πϵ0∫ρ(x→′)r′lr−(l+1)4π2l+1Ylm∗(θ′,φ′)Ylm(θ,φ)dV′=∑∑4π2l+1(14πϵ0∫ρ(x→′)r′lYlm∗(θ′,φ′) dV′)r−(l+1)Ylm

于是 qlm=14πϵ0∫ρ(x→′)r′lYlm∗(θ′,φ′) dV′.

# 补充 1. 电磁场的拉氏量是猜出来的吗?

10 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=1r2∂∂r(r2∂u∂r)+1r2sin⁡θ∂∂θ(sin⁡θ∂u∂θ)+1r2sin2⁡θ∂2u∂2φ

分离变量 u(r,θ,φ)=R(r)Y(θ,φ), 得到

1Rddr(r2dRdr)=−1Y(1sin⁡θ∂∂θ(sin⁡θ∂Y∂θ)−1sin2⁡θ∂2Y∂ϕ2)=λ

10.1 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),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 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.

10.2 球面谐波

由上述已知

1sin⁡θ∂∂θ(sin⁡θ∂Y∂θ)−1sin2⁡θ∂2Y∂ϕ2+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)andsin⁡θddθ(sin⁡θdΘdθ)+[(l+1)lsin2⁡θ−m2]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=arccos⁡x, 得到

(1−x2)d2Θdx2−2xdΘdx+[l(l+1)−m21−x2]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)(1−x2)−m2, 可得到

Θ=(1−x2)m2yΘ′=(1−x2)m2y′−m(1−x2)m2−1xyΘ″=(1−x2)m2y′′−2m(1−x2)m2−1xy′−m(1−x2)m2−1y+m(m−2)(1−x2)m2−2x2y⇓(1−x2)y′′−2(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)(1−x2)−m2 的换元.

(1−x2)d2Pldx2−2xdPldx+l(l+1)Pl=0

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

0=[(1−x2)Pl(m+2)−2mxPl(m+1)−m(m−1)Pl(m)]−2[xPl(m+1)+mPl(m)]+l(l+1)Pl(m)=(1−x2)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 (1−x2)d2Θdx2−2xdΘdx+[l(l+1)−m21−x2]Θ=0 的解记为连带勒让德函数 Plm(x), 那么

Plm(x)=(1−x2)m2dmdxmPl(x),|m|≤l

最后的球谐函数就是

Ylm(θ,φ)=Plm(cos⁡θ)Φm(φ)

如果要归一化 Y, 也就是令 ∫02πdφ∫0πYlm(θ,φ)sin⁡θdθ=1, 可以得到归一化的球谐函数:

Ylm(θ,φ)=12π2l+12(l−m)!(l+m)! Plm(cos⁡θ)eimφ

于是通解表示为

u(r,θ,φ)=∑l=0∞∑m=−ll(Arl+Br−(l+1))12π2l+12(l−m)!(l+m)! Plm(cos⁡θ)eimφ

另外, 连带勒让德函数的前几项为:

P00(x)=1,P10(x)=x,P11(x)=−1−x2,P20(x)=12(3x2−1),P21(x)=−3x1−x2,P22(x)=3(1−x2),P30(x)=12(5x3−3x),P31(x)=−32(5x2−1)1−x2,P32(x)=15x(1−x2),P33(x)=−15(1−x2)3/2.

10.2.1 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)=34πcos⁡θ∝cos⁡θ=zr, R1(r)=Ar+Br2=Br2 (取 A=0). 于是 Φm 的一个解可以写作

Φpole(r,θ,φ)=Cr2cos⁡θ

求梯度得到

B→=−(∂rΦpole, 1r∂θΦpole, 0)=C⋅(2cos⁡θr3, sin⁡θr3, 0)

回忆课上所学到的磁偶极子在远处的磁场表达式:

B→=μ04π3(n→⋅m→)n→−m→r3=μ04π3cos⁡θe→r−e→zr3=μ04π3cos⁡θe→r−(cos⁡θe→r−sin⁡θe→θ)r3=μ04π2cos⁡θe→r+sin⁡θe→θr3

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+Y1−12 和 Y1y=Y11−Y1−1i2, 显然 Y1x∝sin⁡θcos⁡φ=xr, Y1y∝sin⁡θsin⁡φ=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)=(cos⁡β0sin⁡β010−sin⁡β0cos⁡β)

即:

θ′=arccos⁡(z′r)=arccos⁡(−xsin⁡β+zcos⁡βr)=arccos⁡(−sin⁡θcos⁡φsin⁡β+cos⁡θcos⁡β)φ′=arctan⁡2(y′, x′)=arctan⁡2(y, xcos⁡β+zsin⁡β)=arctan⁡2(sin⁡θsin⁡φ, sin⁡θcos⁡φcos⁡β+cos⁡θsin⁡β)

如果取 β=π2, 就有

θ′=arccos⁡(−sin⁡θcos⁡φ)φ′=arctan⁡(sin⁡θsin⁡φcos⁡θ)

也就是说

Y1x(θ′,φ′)∝sin⁡θ′cos⁡φ′=sin⁡(arccos⁡(−sin⁡θcos⁡φ)) ⋅ cos⁡(arctan⁡(sin⁡θsin⁡φcos⁡θ))=1−(sin⁡θcos⁡φ)2  ⋅11+(sin⁡θsin⁡φcos⁡θ)2=1−(sin⁡θcos⁡φ)2  ⋅cos⁡θcos2⁡θ+(sin⁡θsin⁡φ)2=cos⁡θ∝Y10(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 Winger−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 MMA (Mathematica)中直接调用 Winger−D 函数快速完成.

10.2.2 Y2m 和四极场

同理, 对于归一化球谐函数 Y20(θ)=516π(3cos2⁡θ−1), 磁标势 Φquad(r,θ)=R⋅g20(Rr)3516π(3cos2⁡θ−1), g20 为常数, 计算得到

Br=−∂Φ∂r=3g20(R4r4)516π(3cos2⁡θ−1)Bθ=−1r∂Φ∂θ=3g20(R4r4)516πsin⁡2θBφ=0

关于球谐系数 glm 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 Y20(θ) 的旋转, 但是形式更加复杂.

10.3 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=0∞∑m=−llBlmrl+1Ylm(θ,φ)

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

∫02π∫0πYlm(θ,φ)Yl′m′∗(θ,φ)sin⁡θdθdφ=δll′δmm′

将通解两边乘以 Yl′m′∗(θ,φ), 然后积分:

∫02π∫0πu(r,θ,φ)Yl′m′∗(θ,φ)sin⁡θdθdφ=∑l=0∞∑m=−llBlmrl+1∫02π∫0πYlm(θ,φ)Yl′m′∗(θ,φ)sin⁡θdθdφ

利用正交归一关系, 右边只剩下 l=l′ 且 m=m′ 时的项:

∫02π∫0πu(r,θ,φ)Yl′m′∗(θ,φ)sin⁡θdθdφ=Bl′m′rl′+1

倘若已知边界条件 u(r,θ,φ)|r=R=uR(θ,φ), 就可解出:

Bl′m′=Rl′+1∫02π∫0πu(R,θ,φ)Yl′m′∗(θ,φ)sin⁡θdθdφ

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.