§2 场论初步
一、场论的基本概念及梯度、散度与旋度
[标量场] 空间区域D的每点M(x,y,z)对应一个数量值(x,y,z),它在此空间区域D上就构成一个标量场,用点M(x,y,z)的标函数(x,y,z)表示.若M的位置用矢径r确定,则标量可以看作变矢r的函数=(r).
例如温度场u(x,y,z),密度场,电位场e(x,y,z)都是标量场.
[矢量场] 空间区域D的每点M(x,y,z)对应一个矢量值r(x,y,z),它在此空间区域D上就构成一个矢量场,用点M(x,y,z)的矢量函数r(x,y,z)表示.若M的位置用矢径r确定,则矢量r可以看作变矢r的矢函数r(r):
R(r)=X(x,y,z)i+Y(x,y,z)j+Z(x,y,z)k
例如流速场 (x,y,z),电场E(x,y,z),磁场H(x,y,z)都是矢量场.
与标量场的情况一样,矢量场概念与矢函数概念,实质上是一样的.沿用这些术语(标量场、矢量场)是为了保留它们的自身起源与物理意义.
[梯度]
grad=(,,)==i+j+k
式中=i+j+k称为哈密顿算子,也称为耐普拉算子.grad有的书刊中记作del.
grad的方向与过点(x,y,z)的等量面=C的法线方向N重合,并指向增加的一方,是函数变化率最大的方向,它的长度等于.
梯度具有性质:
grad(+)= grad+grad (、为常数)
grad()= grad+ grad
gradF()=
[方向导数]
=l·grad=cos+cos+cos
式中l=(cos,cos,cos)为方向l的单位矢量,,,为其方向角.
方向导数为在方向l上的变化律,它等于梯度在方向l上的投影.
[散度]
divr=++=·r=div(X , Y , Z)
式中为哈密顿算子.
散度具有性质:
div(a+b)= diva+divb (、为常数)
div(a)=div a+a grad
div(a×b)=b·rot a-a·rotb
[旋度]
rotr=()i+()j+()k=×r=
式中为哈密顿算子,旋度也称涡度,rot r有的书刊中记作curl r.
旋度具有性质:
rot(a+b)= rot a+rot b (、为常数)
rot(a)=rot a+a×grad
rot(a×b)=(b·)a-(a·)b+(div b)a-(div a)b
[梯度、散度、旋度混合运算] 运算grad作用到一个标量场产生矢量场grad,运算div作用到一个矢量场 r产生标量场div r,运算rot作用到一个矢量场r产生新的矢量场
rot r.这三种运算的混合运算公式如下:
div rot r=0
rot grad=0
div grad= ++=
grad div r=(r)
rot rot r=×(×r)
div grad(+)= div grad+div grad (、为常数)
div grad()=div grad+div grad +2grad·grad
grad div r-rot rot r=r
式中 为哈密顿算子,=·=2为拉普拉斯算子.
[势量场(守恒场)] 若矢量场r(x,y,z)是某一标函数(x,y,z)的梯度,即
r=grad 或 X=,Y=,Z=
则r称为势量场,标函数称为r的势函数.
矢量场r为势量场的充分必要条件是:rot r=0,或
=,=,=
势函数计算公式
(x,y,z)=(x0,y0,z0)++
+
[无散场(管形场)] 若矢量场r的散度为零,即div r=0,则r称为无散场.这时必存在一个无散场T,使r=rot T,对任意点M有
T=
式中r为dV到M的距离,积分是对整个空间进行的.
[无旋场] 若矢量场r的旋度为零,即rot r=0,则r称为无旋场.势量场总是一个无旋场,这时必存在一个标函数,使r=grad,而对任意点M有
=-
式中r为dV到M的距离,积分是对整个空间进行的.