Інтегральні характеристики векторних полів

інтегральні характеристики векторних полів

1. Диференціальні операції другого порядку

Нехай в області задані скалярне поле і векторне поле , причому функції мають в області неперервні частинні похідні другого порядку. Тоді і є диференційовними векторними полями, а – диференційовним скалярним полем.

До векторних полів і можна застосувати операції обчислення дивергенції і ротора, а до скалярного поля – операцію обчислення градієнта. Таким чином, отримуємо повторні операції:

.

Операцію називають оператором Лапласа і позначають також символом :

.

З допомогою оператора Гамільтона оператор Лапласа записується у вигляді

.

Враховуючи, що

,

дістаємо

.

Функція , яка задовольняє в деякій області рівняння Лапласа , називається гармонічною в цій області. Наприклад, лінійна функція є гармонічною в довільній області. Оператор Лапласа широко застосовується в рівняннях математичної фізики. Відзначимо, зокрема, що потенціал електричного поля точкового заряду або поля тяжіння точкової маси, який має вигляд , при задовольняє рівняння Лапласа:

(потенціальне векторне поле є безвихровим) і

(векторне поле є соленоїдальним).

1. Дві інші повторні операції і пов’язані співвідношенням

, (1)

де – вектор-функція, координатами якої є результати застосування оператора Лапласа до функцій .

2. Розкладання векторного поля на суму потенціального і соленоїдального полів

Довільне неперервно диференційовне векторне поле може бути зображено у вигляді

, (2)

де – потенціальне поле, – соленоїдальне поле.

Дійсно, за означенням потенціальне векторне поле є градієнтом деякого скалярного поля : . Тому для вектора із рівності (2) маємо

. (3)

Щоб векторне поле було соленоїдальним, воно має задовольняти умову , звідси, враховуючи рівність (3), знаходимо

.

Таким чином, для скалярного потенціала поля отримуємо рівняння

, (4)

де – відома функція даного поля .

Отже, якщо функція є розв’язком рівняння (4), то, поклавши , , отримаємо зображення поля у вигляді (2), де – потенціальне поле, – соленоїдальне поле.

Рівняння (2) – неоднорідне рівняння в частинних похідних другого порядку, яке називається рівнянням Пуассона:

.

Відзначимо, що це рівняння має (нескінченну) множину розв’язків, тому зображення поля у вигляді (2) не є єдиним.

2. Потік векторного поля

Розглянемо векторне поле , визначене в просторовій області , і деяку кусково-гладку орієнтовну поверхню . Нехай – поле одиничних нормалей на обраній стороні поверхні .

Як було відзначено в п. 4.2, поверхневий інтеграл

(5)

називається потоком векторного поля через поверхню в сторону, яка визначається вектором (кажуть також «потік через обрану сторону поверхні »).

Якщо взяти іншу сторону поверхні (змінити орієнтацію), то вектор змінить напрям на протилежний; тому скалярний добуток , а отже, і потік (поверхневий інтеграл (5)) змінить знак.

Якщо – швидкість рухомої рідини, то є кількістю (об’ємом) рідини, яка протікає через поверхню у напрямі нормалі за одиницю часу. Ця величина називається у фізиці (гідродинаміці) потоком рідини через поверхню . Тому і у випадку довільного векторного поля інтеграл (5) називається потоком векторного поля через поверхню .

Розглянемо електричне поле точкового заряду , який міститься в точці . Знайдемо потік векторного поля через зовнішню сторону сфери радіуса з центром у точці . Нехай ( – точка на сфері ); тоді . Тому

,

де – діелектрична проникність середовища, .

Якщо в системі координат , а , то вираз (5) для потоку векторного поля можна записати у вигляді

. (6)

Кожен доданок у правій частині рівності (6) залежить від вибору системи координат, проте їх сума, тобто потік , очевидно, не залежить від вибору системи координат.

3. Формула Остроградського-Гаусса в векторній формі

Нехай в області визначено векторне поле ; – замкнена поверхня, яка обмежує область ; – одиничний вектор зовнішньої нормалі до поверхні у точці .

Нехай, далі, та їхні частинні похідні неперервні в області . Тоді справедлива формула Остроградського-Гаусса:

. (7)

Підінтегральна функція в потрійному інтегралі є , а поверхневий інтеграл – потік векторного поля через поверхню . Тому формулу (7) можна записати у векторній формі:

. (8)

Фізичний зміст формули Остроградського-Гаусса: потік векторного поля через замкнену поверхню в сторону зовнішньої нормалі дорівнює потрійному інтегралу по області, обмеженій цією поверхнею, від дивергенції векторного поля . Щоб потік був відмінним від нуля, всередині області мають бути джерела (або стоки) поля. Із формули Остроградського-Гаусса випливає, що тоді є відмінною від нуля. Таким чином, характеризує джерела поля. Само векторне поле як би розходиться від джерел. Звідси і походить назва «розбіжність» або «дивергенція».

4. Властивості соленоїдального поля

Як відомо, векторне поле , яке задовольняє в області умову , називається соленоїдальним в цій області. Нехай область є об’ємно однозв’язною. Це означає, що, якщо кусково-гладка замкнена поверхня лежить в області , то і область, яка обмежує поверхню , цілком належить області . Прикладами об’ємно однозв’язних областей є куля, паралелепіпед, тор. Відзначимо, що тор не є поверхнево однозв’язною областю. Область, яка знаходиться між двома сферами, не є об’ємно однозв’язною (але є поверхнево однозв’язною).

Із формули Остроградського-Гаусса випливає, що соленоїдальне поле в взаємно однозв’язній області має таку властивість: потік соленоїдального поля через довільну замкнену поверхню, яка знаходиться в цій області, дорівнює нулю.

Відзначимо, що, якщо область не є об’ємно однозв’язною, то потік соленоїдального (в цій області) поля через замкнену поверхню, яка знаходиться в області, може бути відмінним від нуля. Так електричне поле точкового заряду, який міститься в точці , є соленоїдальним в кулі з викинутим центром ( при ).

Слово «соленоїдальне» означає «трубасте». Для соленоїдального поля є справедливим закон збереження інтенсивності векторної трубки. З’ясуємо суть цього закону.

Нехай – соленоїдальне поле. Розглянемо відрізок «векторної трубки», тобто область, обмежену двома перерізами і та боковою поверхнею , яка складається із векторних ліній (рис. 1). Застосуємо до такої області формулу Остроградського-Гаусса (8). Оскільки в соленоїдальному полі , то потік векторного поля через поверхню області дорівнює нулю: ( – одиничний вектор зовнішньої нормалі). На боковій поверхні маємо , тому .

Отже,

.

Рисунок 1 – Відрізок «векторної трубки»

Змінимо на перерізі напрям нормалі на протилежний ( – внутрішня нормаль до ). Тоді отримаємо

,

де обидва потоки через перерізи і обчислюються в напрямі векторних ліній.

Таким чином, у соленоїдальному (трубчастому) векторному полі потік через будь-який переріз векторної трубки набуває одного й того самого значення. Це і є закон збереження інтенсивності збереження векторної трубки.

5. Інваріантне означення дивергенції

Нехай в області , обмеженій поверхнею , визначено векторне поле . Запишемо формулу (8) для векторного поля в області . Застосовуючи до лівої частини цієї формули теорему про середнє, отримаємо

або

,

де – об’єм області , а – деяка точка області .

Зафіксуємо точку і стягуватимемо область до точки так, щоб залишалася внутрішньою точкою області . Тоді , а прямуватиме до . Внаслідок неперервності значення прямуватиме до . Таким чином, отримуємо

. (9)

У праву частину формули (9) входять величини, інваріантні відносно вибору системи координат (потік векторного поля через поверхню і об’єм області). Тому формула (9) дає інваріантне означення дивергенції векторного поля. Отже, дивергенція векторного поля залежить тільки від самого поля і не залежить від вибору системи координат.

6. Циркуляція векторного поля

Розглянемо векторне поле , визначене в просторовій області , і деяку кусково-гладку криву , на якій вказано напрям обходу (вибір напряму обходу називають також орієнтацією кривої). Нехай – одиничний дотичний вектор до кривої у точці , напрямлений в сторону обходу кривої.

Криволінійний інтеграл

(10)

називається циркуляцією векторного поля вздовж кривої у заданому напрямі.

Якщо взяти інший напрям обходу кривої (змінити орієнтацію), то вектор змінить напрям на протилежний, тому скалярний добуток , а, отже, і циркуляція (криволінійний інтеграл (10)) змінить знак.

Якщо – силове векторне поле, тобто – вектор сили, то циркуляція визначає роботу силового векторного поля вздовж кривої в заданому напрямі.

Якщо в прямокутній системі координат , а , то вираз (10) для циркуляції векторного поля можна записати в вигляді

. (11)

Кожний доданок у правій частині (11) залежить від вибору системи координат, проте їхня сума, тобто циркуляція , очевидно, не залежить від вибору системи координат.

Якщо ввести вектор , то циркуляцію можна записати у вигляді (порівняйте з правою частиною рівності (11)).

7. Формула Стокса у векторній формі

Нехай в області визначено векторне поле ; – замкнений контур, який лежить в області ; – довільна поверхня, межею якої є контур ; («поверхня натягнута на контур »); – одиничний вектор нормалі на обраній стороні поверхні .

Нехай функції та їхні частинні похідні першого порядку неперервні на поверхні . Тоді справедлива формула Стокса

,

де орієнтація контуру узгоджена з орієнтацією поверхні . Ліва частина формули Стокса є циркуляцією векторного поля вздовж контура , а права частина визначає потік через поверхню векторного поля з координатами , тобто потік через поверхню . Тому формулу Стокса можна записати у векторній формі:

(12)

або

. (13)

Фізичний зміст формули Стокса: циркуляція векторного поля вздовж замкненого контуру дорівнює потоку ротора векторного поля через поверхню, натягнуту на цей контур.

8. Властивості потенціального поля

Як відомо, векторне поле , яке задовольняє в області умову , називається потенціальним у цій області ( – скалярний потенціал поля ). Якщо поле потенціальне в області , то і вираз є повним диференціалом функції в області . Це означає, що виконана умова незалежності криволінійного інтеграла від шляху інтегрування в просторі.

Таким чином, потенціальне в області поле має такі властивості.

1. Циркуляція потенціального поля вздовж довільного замкненого контуру дорівнює нулю:

.

2. Для довільних точок і області циркуляція потенціального поля вздовж кривої не залежить від вибору кривої і дорівнює різниці значень потенціала в точках і :

.

У випадку силового потенціального поля ця властивість означає, що робота такого поля вздовж кривої не залежить від вибору кривої, а залежить тільки від початкової і кінцевої точок і .

3. Потенціальне поле є безвихровим, тобто .

Нехай тепер дано векторне поле , яке задовольняє в області умову . Чи випливає звідси, що поле є потенціальним в області ? Відповідь на це запитання залежить від форми області . Якщо область є поверхнево однозв’язною, то із умови випливає, що існує функція така, що

.

Отже, , тобто поле є потенціальним в області .

Таким чином, умова є необхідною і достатньою умовою потенціальності поля у поверхнево однозв’язній області.

Потенціал потенціального поля у поверхнево однозв’язній області можна обчислити за формулою:

. (14)

Якщо область не є поверхнево однозв’язною, то умова не є достатньою для потенціальності поля в області .

9. Інваріантне означення ротора

Нехай в області визначено векторне поле . Зафіксуємо точку і деяку площину, яка проходить через цю точку. Нехай – одиничний вектор нормалі до площини, – замкнений контур, який лежить в площині і обмежує область таку, що – внутрішня точка області . Запишемо формулу (12) для векторного поля в області . Застосовуючи до правої частини цієї формули теорему про середнє, отримуємо

,

диференціальне векторне поле формула соленоїдальне

звідки

,

де – площа області , – деяка точка області .

Стягуватимемо область до точки так, щоб залишалася внутрішньою точкою області . Тоді , а прямуватимемо до . Внаслідок неперервності значення прямуватимемо до . Таким чином, отримуємо

.

У праву частину формули входять величини, інваріантні відносно вибору системи координат (циркуляція векторного поля вздовж замкненого контура і площа плоскої області). Тому дана формула дає інваріантне означення проекції в точці на напрям, який виражається заданим вектором .

Отже, проекція ротора векторного поля на довільний напрям, а отже, і сам залежить тільки від векторного поля і не залежить від вибору системи координат.

Для означення вектора вищезазначеним способом достатньо розглянути в заданій точці проекції на три довільних некомпланарних напрями. Такими трьома проекціями визначається однозначно.

Размещено на