电磁场:散度、旋度、常见的二阶导数与拉普拉斯算子

目录

一、散度

二、旋度

三、二阶导数与拉普拉斯算子

(1)梯度的散度:标量场的拉普拉斯算子的定义

(2)梯度的旋度:梯无旋

(3)散度的梯度

(4)旋度的散度:旋无散

(5)旋度的旋度:矢量场拉普拉斯算子的定义

(6)总结


上一篇文章我们已经学习了哈密顿算子直接作用在标量场的效果:从标量场变成矢量场-梯度。但其实哈密顿算子的作用远远不止于此,通过不同的运算、作用在不同的对象时,会得到截然不同的结果,例如散度、旋度等等。

一、散度

关于散度的细节理解可以参考我之前关于高斯定理的文章:高等数学:曲面积分、高斯公式、通量与散度-CSDN博客

从这篇文章你会理解到:所谓的散度就是高斯公式等式的右半部分,所以并非哈密顿算子定义了散度,而是先从高斯公式定义了散度,才有用哈密顿算子去记忆的方式。

二、旋度

旋度与散度有点类似,不过他是哈密顿算子叉乘作用在矢量场的结果。其定义来源于斯托克斯公式(本质是三维空间上的格林公式),而非哈密顿算子。

旋度的细节部分,我之前也有一篇笔记供大家参考:高等数学:斯托克斯公式、旋度、场的理解-CSDN博客

三、二阶导数与拉普拉斯算子

在有了哈密顿算子的不同应用后,人们开始思考,能不能对结果本身再使用哈密顿算子呢?于是就引出了二阶偏导数与拉普拉斯算子。

下面我们将对三个"度"排列组合,穷举出所有的二阶导数。由于散度是一个标量,而标量是没有旋度的,所以共计只有5种情况讨论。

(1)梯度的散度:标量场的拉普拉斯算子的定义

梯度我们知道是一个矢量场,于是用散度求解后变成了一个标量场。

(2)梯度的旋度:梯无旋

(3)散度的梯度

散度的梯度一般用的不多,也不方便找到具体的物理参数与之对应,它一般只会出现在旋度的旋度这个矢量拉普拉斯定义式之中。

(4)旋度的散度:旋无散

(5)旋度的旋度:矢量场拉普拉斯算子的定义

(6)总结

关于二阶导数有以下几点需要加强记忆:

(1)对于标量场可以直接使用拉普拉斯算子,即直接用两次哈密顿算子是可行的。

(2)对于矢量场而言,拉普拉斯算子的定义来自于旋度的旋度,即对这样的式子▽×(▽×A)使用BCA、CAB法则得到等式中的一项。

(3)"梯无旋、旋无散"。

(4)散度的梯度一般很少用,只会出现在旋度的旋度,即矢量拉普拉斯的定义式中。

目前阶段我们记住这些结论即可,后续会将他们具体运用到电磁场中进行分析。

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