工程電磁場導(dǎo)論第二章矢量分析

工程電磁場導(dǎo)論第二章矢量分析第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日曲線正交坐標(biāo)系dl第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位矢量，，任意矢量A在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式長度元矢量第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日體積元面積元長度元dlx=dxdly=dydlz=dz第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位矢量任意矢量A在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日長度元面積元體積元第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日柱坐標(biāo)系的體積元第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日球坐標(biāo)系第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位矢量任意矢量A在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日長度元面積元體積元第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日球坐標(biāo)系的體積元第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日矢量運(yùn)算矢量加減運(yùn)算則設(shè)2.矢量點乘與叉乘第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位矢量點乘與叉乘第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日計算題已知一半徑為，載電流為I的無限長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度時，

試求：H的分布為2.已知點電荷q所產(chǎn)生場分布為試求:第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.1標(biāo)量場和矢量場

場是一個標(biāo)量或一個矢量的位置函數(shù),即場中任一個點都有一個確定的標(biāo)量值或矢量.例如,在直角坐標(biāo)下,標(biāo)量場如溫度場,電位場,高度場等;矢量場如流速場,電場,渦流場等.第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日形象描繪場分布的工具--場線矢量場--矢量線標(biāo)量場--等值線(面).其方程為其方程為三維場在直角坐標(biāo)下:二維場圖2.1.2矢量線圖2.1.1等值線在某一高度上沿什么方向高度變化最快？第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.2標(biāo)量場的梯度一.梯度設(shè)當(dāng),即與方向一致時,為最大.設(shè)一個標(biāo)量函數(shù)(x,y,z),若函數(shù)在點P可微,則

在點P沿任意方向

的方向?qū)?shù)為:梯度(gradient)哈密頓算子式中則有:式中，，，分別是與x,y,z軸的夾角第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日例1三維高度場的梯度例2電位場的梯度高度場的梯度與過該點的等高線垂直；數(shù)值等于該點位移的最大變化率；指向地勢升高的方向。電位場的梯度與過該點的等位線垂直；指向電位增加的方向。數(shù)值等于該點的最大方向?qū)?shù)；二.梯度的物理意義標(biāo)量場的梯度是一個矢量,是空間坐標(biāo)點的函數(shù);梯度的方向為該點最大方向?qū)?shù)的方向,即與等值線（面）相垂直的方向，它指向函數(shù)的增加方向.梯度的大小為該點標(biāo)量函數(shù)的最大變化率，即該點最大方向?qū)?shù);圖2.2.1三維高度場的梯度圖2.2.2電位場的梯度第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.3矢量場的通量與散度一、通量矢量E

沿有向曲面S的面積分>0(有正源)<0(有負(fù)源)=0(無源)圖2.3.1矢量場的通量圖0.3.2矢量場的通量若S為閉合曲面，可以根據(jù)凈通量的大小判斷閉合面中源的性質(zhì):第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日二、散度如果包圍點P的閉合面S所圍區(qū)域V以任意方式縮小為點P時,通量與體積之比的極限存在，即散度(divergence)計算公式三、散度的物理意義散度代表矢量場的通量源的分布特性?

A=0(無源）?

A=0(負(fù)源)?

A=0(正源)在矢量場中，若?A=0，稱之為有源場，稱為(通量)源密度；若矢量場中處處?A=0，稱之為無源場。矢量的散度是一個標(biāo)量，是空間坐標(biāo)點的函數(shù)；第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日四、高斯公式(散度定理)高斯公式該公式表明了區(qū)域V中場A與邊界S上的場A之間的關(guān)系。矢量函數(shù)的面積分與體積分的互換。圖2.3.3散度定理由于是通量源密度，即穿過包圍單位體積的閉合面的通量，對體積分后，為穿出閉合面S的通量第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.4矢量場的環(huán)量與旋度一、環(huán)量該環(huán)量表示繞線旋轉(zhuǎn)趨勢的大小。水流沿平行于水管軸線方向流動=0，無渦旋運(yùn)動流體做渦旋運(yùn)動0，有產(chǎn)生渦旋的源矢量A沿空間有向閉合曲線L的線積分環(huán)量例：流速場圖0.4.2流速場圖2.4.1環(huán)量的計算第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日二、旋度1.環(huán)量密度過點P作一微小曲面S,它的邊界曲線記為L,面的法線方與曲線繞向成右手螺旋法則。當(dāng)S點P時,存在極限環(huán)量密度取不同的路徑，其環(huán)量密度不同。2.旋度旋度是一個矢量，模值等于環(huán)量密度的最大值；方向為最大環(huán)量密度的方向。旋度(curl)它與環(huán)量密度的關(guān)系為在直角坐標(biāo)系下第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日三、旋度的物理意義矢量的旋度仍為矢量，是空間坐標(biāo)點的函數(shù)。點P的旋度的大小是該點環(huán)量密度的最大值。在矢量場中，若A=J0,稱之為旋度場(或渦旋場)，J

稱為旋度源(或渦旋源)；點P的旋度的方向是該點最大環(huán)量密度的方向。四、斯托克斯(Stockes)定理

A

是環(huán)量密度，即圍繞單位面積環(huán)路上的環(huán)量。因此，其面積分后，環(huán)量為Stocke’s定理在電磁場理論中，Gauss公式和Stockes公式是兩個非常重要的公式。矢量函數(shù)的線積分與面積分的互換。該公式表明了區(qū)域S中場A與邊界L上的場A之間的關(guān)系若矢量場處處A=0，稱之為無旋場。圖2.4.3斯托克斯定理第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日補(bǔ)充內(nèi)容：無源場、無旋場、調(diào)和場拉普拉斯算子球坐標(biāo)、柱坐標(biāo)下各種算子表達(dá)式已知求已知求第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.5亥姆霍茨定理亥姆霍茨定理：在有限區(qū)域內(nèi)，矢量場由它的散度、旋度及邊界條件唯一地確定。已知矢量A的通量源密度矢量A的旋度源密度場域邊界條件在電磁場中電荷密度電流密度J場域邊界條件（矢量A唯一地確定）例：判斷矢量場的性質(zhì)=0=0=000=0第二十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.6三種特殊形式的場1.平行平面場：如果在經(jīng)過某一軸線(設(shè)為

Z軸)的一族平行平面上，場

F的分布都相同，即F=f(x,y)，則稱這個場為平行平面場。2.軸對稱場：如果在經(jīng)過某一軸線(設(shè)為

Z軸)的一族子午面上，場

F的分布都相同，即F=f(r,