- •1. Классификация уравнений второго порядка
- •Лекция 4. Вывод уравнения теплопроводности
- •Начальные условия и граничные условия.
- •Решение первой начально-краевой задачи для уравнения теплопроводности.
- •Лекция 2. Вывод уравнения колебания струны
- •Начальные условия и граничные условия.
- •I. Граничные условия первого рода
- •II. Граничные условия второго рода
- •III. Граничные условия третьего рода
- •Уравнение Лапласа
- •2.5. Метод разделения переменных. Струна с закреплёнными концами
- •[Править]Электростатика
- •[Править]Потенциал точечного заряда
- •[Править]Потенциал гауссовой объёмной плотности заряда
[Править]Электростатика
Уравнение Пуассона является одним из краеугольных камней электростатики. Нахождение φ для данного f — важная практическая задача, поскольку это обычный путь для нахождения электростатического потенциала для данного распределения заряда. В единицах системы СИ:
где — электростатический потенциал (в вольтах), — объёмная плотность заряда (в кулонах на кубический метр), а — диэлектрическая проницаемость вакуума (в фарадах на метр).
В единицах системы СГС:
В области пространства, где нет непарной плотности заряда, имеем:
и уравнение для потенциала превращается в уравнение Лапласа:
[Править]Потенциал точечного заряда
Потенциал, источником которого служит точечный заряд,
- то есть кулоновский потенциал - есть по сути (а строго говоря при q = 1) функция Грина
для уравнения Пуассона,
то есть решение уравнения
где - обозначение дельта-функции Дирака, а произведение трех дельта-функций есть трехмерная дельта-функция, а
В связи с этим ясно, что решение уравнения Пуассона с произвольной правой частью может быть записано как
Здесь мы имеем в виду наиболее простой случай «без граничных условий», когда принимается, что на бесконечности решение должно стремиться к нулю. Рассмотрение более общего случая произвольных граничных условий и вообще более подробное изложение - см. в статье Функция Грина.
Физический смысл последней формулы - применение принципа суперпозиции (что возможно, поскольку уравнение Пуассона линейно) и нахождение потенциала как суммы потенциалов точечных зарядов .
[Править]Потенциал гауссовой объёмной плотности заряда
Если мы имеем объёмную сферически симметричную плотность гауссового распределения заряда :
где Q — общий заряд, тогда решение Φ (r) уравнения Пуассона:
даётся:
где erf(x) — функция ошибок. Это решение может быть проверено напрямую вычислением . Заметьте, что для r, много больших, чем σ, erf(x) приближается к единице, и потенциал Φ (r) приближается к потенциалу точечного заряда , как и можно было ожидать.