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文档简介
1P.2-152Review1.GradientofaScalarField2.DivergenceofaVectorField3.DivergenceTheorem3Maintopic1.CurlofaVectorField2.Stokes’sTheorem3.TwoNullIdentities4.Helmholtz’sTheorem41).矢量场的环量矢量场A沿有向闭合曲线l
的线积分称为矢量场A沿该曲线的环量,以表示为>0,<0,=0如如何显示源的分布特性??矢量场的旋度5SMlen称为矢量A对于方向en的环量强度正最大次之零负最大零注意:在每一点P处都有无穷多的方向环量,且大小可能不等。en1en261.CurlofaVectorFieldFlowsource;vortexsource;vortexsinkthe(net)circulationSincecirculationasdefinedinEq.isalineintegralofadotproduct,itsvalueobviouslydependsontheorientationofthecontourCrelativetothevectorA.Inordertodefineapointfunction,whichisameasureofthestrengthofavortexsource,wemustmakeCverysmallandorientitinsuchawaythatthecirculationismaximum.7Inwords,Eq.statesthatthecurlofavectorfieldA,denotedbycurlAorA,isavectorwhosemagnitudeisthemaximumnetcirculationofAperunitareaastheareatendstozeroandwhosedirectionisthenormaldirectionoftheareawhentheareaisorientedtomakethenetcirculationmaximum.ThecomponentofAinanyotherdirectionauisau·(A),whichcanbedeterminedfromthecirculationperunitareanormaltoau
astheareaapproacheszero.8直角坐标系球坐标系柱坐标系9旋度运算规则10Example2-21(P57-58)11Acurl-freevectorfieldiscalledanirrotationaloraconservativefield.Adivergencelessfieldiscalledasolenoidalfield.122.Stokes’sTheoremThesurfaceintegralofthecurlofavectorfieldoveranopensurfaceisequaltotheclosedlineintegralofthevectoralongthecontourboundingthesurface.Stokes’stheoremconvertsasurfaceintegralofthecurlofavectortoalineintegralofthevector,andviceversa.Italwaysimpliesanopensurfacewitharim.Weremindourselvesherethatthedirectionsofdlandds(an)followtheright-handrule.13Example2-22(P60)14153.TwoNullIdentitiesThecurlofthegradientofanyscalarfield
isidentically
zero.(theexistenceofVanditsfirstderivativeseverywhereisimpliedhere.)3.1IDENTITYIAconversestatementofIdentityIcanbemadeasfollows:ifavectorfieldiscurl-free,thenitcanbeexpressedasthegradientofascalarfield.ifthenAnirrotational(aconservative)vectorfieldcanalwaysbeexpressedasthegradientofascalarfield.16Thedivergenceofthecurlofanyvectorfield
isidentically
zero.3.2IDENTITYIIAconversestatementofIdentityIIisasfollows:ifavectorfieldisdivergenceless,thenitcanbeexpressedasthecurlofanothervectorfield.Adivergencelessfieldisalsocalledasolenoidalfield.Solenoidalfieldsarenotassociatedwithflowsourcesofsinks.Thenetourwardfluxofasolenoidalfieldthroughanyclosedsurfaceiszero,andthefluxlinescloseuponthemselves.ifthen174.Helmholtz’sTheoremInprevioussectionswementionedthatadivergencelessfieldissolenoidal,andacurl-freefieldisirrotational.Wemayclassifyvectorfieldsinaccordancewiththeirbeingsolenoidaland/orirrotational1).solenoidalandirrotationalExample:Astaticelectricfieldinacharge-freeregion3).solenoidalandrotationalExample:Asteadymagneticfieldinacurrent-carryingconductor2).irrotationalbutnotsolenoidalExample:Astaticelectricfieldinachargeregion4).NeithersolenoidalnorirrotationalExample:Anelectricfieldinachargedmediumwithatime-varyingmagneticfield.18Themostgeneralvectorfieldthenhasbothanonzerodivergenceandanonzerocurl,andcanbeconsideredasthesumofasolenoidalfieldandanirrotationalfield.
Helmholtz’sTheorem:Avectorfield(vectorpointfunction)isdeterminedtowithinanadditiveconstantifbothitsdivergenceanditscurlarespecifiedeverywhere.Inanunboundedregionweassumethatboththedivergenceandthecurlofthevectorfieldvanishatinfinity.Ifthevectorfieldisconfinedwithinaregionboundedbyasurface,thenitisdeterminedifitsdivergenceandcurlthroughouttheregion,aswellasthenormalcomponentofthevectorovertheboundingsurface,aregiven.Hereweassumethatthevectorfunctionissingle-valuedandthatitsderivativesarefiniteandcontinuous.19Thedivergenceofavectorisameasureofthestrengthoftheflowsourceandthatthecurlofavectorisameasureofthestrengthofthevortexsource.Whenthestrengthsofboththeflowsourceandthevortexsourcearespecified,weexceptthatthevectorfieldwillbedetermined.Thus,wecandecomposeageneralvectorfieldFintoanirrotational(conservative)partFi
andasolenoidalpartFs:BecauseofTwoNullIdentities:20
位于某一区域中的矢量场,当其散度、旋度以及边界上场量的切向分量或法向分量给定后,则该区域中的矢量场被惟一地确定。
已知散度和旋度代表产生矢量场的源,可见惟一性定理表明,矢量场被其源及边界条件共同决定的。VSF(r)矢量场的惟一性定理21
若矢量场
F(r)
在无限区域中处处是单值的,且其导数连续有界,源分布在有限区域V
中,则当矢量场的散度及旋度给定后,该矢量场
F(r)
可以表示为
式中V'zxyr
Or'
r–r'
F(r)亥姆霍兹定理22Example2-23(p65)Givenavectorfunction:F=ax(3y-c1z)+ay(c2x-2z)-az(c3y+z)
(a)Determinetheconstantc1,c2andc3ifFisirrotational;(b)DeterminethescalarpotentialfunctionVwhosenegativegradientequalstoF2324summary1.CurlofaVectorField2.Stokes’sTheorem253.TwoNullIdentities4.Helmholtz’sTheoremifthenifthenHelmholtz’sTheorem:Avectorfield(vectorpointfunction)isdeterminedtowithinanadditiveconstantifbothitsdivergenceanditscurlarespecifiedeverywhere.261.ProductsofVectors2.OrthogonalCoordinateSystemsReviewCartes
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