§10 Уравнение Пуассона

Произвольное векторное поле E(r) характеризуется тремя скалярными функциями Ej(r), где j пробегает значения x, y, z (если говорить о декартовой системе координат). Поэтому одного уравнения (6.2), вообще говоря, недостаточно, чтобы найти электрическое поле. Однако электростатическое поле потенциально. Это накладывает столь сильное ограничение, что все три компоненты E можно выразить через одну скалярную функцию — электрические потенциал ϕ. Подставляя

E = gradϕ.

в уравнение

divE = 4πρ

получаем уравнение Пуассона

Δϕ = 4πρ.

(10.1)
где дифференциальный оператор Δ = divgrad называется оператором Лапласа, или лапласианом. Уравнение Пауссона играет столь важную роль в электростатике, что его часто называют основным уравнением электростатики. В декартовой системе координат оно записывается следующим образом:
2ϕ x2 + 2ϕ y2 + 2ϕ z2 = 4πρ.

(10.2)
В произвольной криволинейной системе координат для вычисления оператора Δ необходимо исходить из инвариантных определений дивергенции и градиента (см. 6 и 8).

Уравнение Пуассона относится к классу дифференциальных уравнений в частных производных. Иногда специальным выбором системы координат его удается свести к обыкновенному дифференциальному уравнению. Это случается, если в такой специальной системе координат плотность заряда и потенциал зависят от одной координаты. Один пример такого рода рассмотрен далее в качестве задачи.

Задача  10.1

Непосредственной подстановкой убедиться, что потенциал точечного заряда ϕ = qr удовлетворяет уравнению Пуассона везде, кроме точки r = 0.

Задача  10.2

Записать оператор Лапласа в произвольной ортогональной системе координат, выразив результат через коэффициента Ламэ.

Ответ:

Δϕ = 1 h1h2h3[ x1(h2h3 h1 ϕ x1)+ x2(h1h3 h2 ϕ x2)+ x3(h1h2 h3 ϕ x3)].

Задача  10.3

Записать оператор Лапласа в сферической системе координат.

Ответ:

Δϕ = 1 r2 r(r2ϕ r ) + 1 r2 sinθ θ(sinθϕ θ ) + 1 r2 sin2θ 2ϕ α2 .

Задача  10.4

Записать оператор Лапласа в цилиндрической системе координат.

Ответ:

Δϕ = 1 r r(rϕ r ) + 1 r2 2ϕ α2 + 2ϕ z2 .

Задача  10.5

Найти скалярный потенциал и электрическое поле сферически симметричного распределения заряда ρ = ρ(r).

Ответ:

ϕ(r) = 4π r 0rρ(r)r2 dr + 4π rρ(r)rdr; E(r) = 4πr r3 0rρ(r)r2 dr.