泊松方程
数学中常见于静电学等的方程
泊松方程(法语:Équation de 西莫恩·泊松)是数学中一个常见于静电学、机械工程和理论物理的偏导数方程式,因法国数学家、几何学家及物理学家泊松而得名的。
介绍
泊松方程为
在这里 △代表的是皮埃尔-西蒙·拉普拉斯算符(也就是哈密顿算符▽的平方),而 f 和 φ 可以是在流形上的实数或复数值的方程。当流形属于欧几里得空间,而拉普拉斯算子通常表示为,因此泊松方程通常写成在三维直角坐标系,可以写成
如果没有,这个方程就会变成拉普拉斯方程.
泊松方程可以用格林函数来求解;如何利用格林函数来解泊松方程可以参考screened 西莫恩·泊松 equation。现在有很多种数值解。像是relaxation method,不断回圈的代数法,就是一个例子。
数学上,泊松方程属于椭圆型方程(不含时一次方程)。
泊松首先在无引力源的情况下得到泊松方程,(即拉普拉斯方程)。当考虑引力场时,有(f为引力场的质量分布)。后推广至电场磁场,以及热场分布。该方程通常用格林函数法求解,也可以分离变量法,特征线法求解。
应用
在静电学很容易遇到泊松方程。对于给定的f找出φ是一个很实际的问题,因为我们经常遇到给定电荷密度然后找出电场的问题。在国际单位制(SI)中:
此 代表电势(单位为伏特),是电荷体密度(单位为库仑/立方米),而 是真空电容率(单位为法拉/米)。
如果空间中有某区域净带电粒子为0,则
高斯电荷分布的电场
如果有一个三维球对称的高斯分布电荷密度:
此处,Q代表总电荷
此泊松方程:的解则为
erf(x)代表的是误差函数
注意:如果r远大于σ,erf(x)趋近
参考资料
目录
概述
介绍
应用
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