1. 程式人生 > >【物理】電磁(一)

【物理】電磁(一)


散度divergence,顧名思義,是指一個向量場發散的程度。一個向量場 \mathbf{F} 的散度是一個標量場(向量場的每一點有一個自己的散度),寫作 \nabla \cdot \mathbf{F} (這個寫法也很直白,因為點乘就是標量)。如果一個點的散度為正,那麼在這一點上 \mathbf{F} 有向外發散的趨勢;如果為負,那麼在這一點上 \mathbf{F} 有向內收斂的趨勢。

旋度curl指一個向量場旋轉的程度。一個向量場 \mathbf{F} 的旋度是一個向量場(向量場的每一點有一個自己的旋度,而且是一個向量;這是因為旋轉的方向需要標明出來),寫作 \nabla\times\mathbf{F} (這個寫法也很直白,因為叉乘就是向量)。如果一個點的旋度不為0,那麼在這一點上 \mathbf{F} 有漩渦的趨勢,而這個旋度的方向表明了旋轉的方向。

舉些例子,以下是兩個向量場的例子。其中第一個向量場往外發散,但完全沒有旋轉扭曲的趨勢;第二個向量場形成了一個標準的漩渦,但沒有任何箭頭在往外或往裡指,沒有發散或收斂的趨勢。

散度不為0、但旋度為0的向量場:
↖ ↑ ↗
← · →
↙ ↓ ↘

旋度不為0、但散度為0的向量場:
↗ → ↘
↑ · ↓
↖ ← ↙

因此,如你所見,散度和旋度描述的都是非常直觀的幾何性質。只要知道一個向量場的散度和旋度,我們就可以唯一確定這個向量場本身(這是亥姆霍茲定理,我要是有興致可以以後簡單談談)。

麥克斯韋方程組的微分形式,就是要描述電磁場的散度和旋度。我前邊說到,微分形式和積分形式是完全等價的,我很也可以很輕鬆地從一個形式推匯出另一個形式,用的是高斯定理(不要和高斯定律混淆、又叫散度定理)和斯托克斯定理。

高斯定理Gauss's Theorem:一個向量場 \mathbf{F} 在閉合曲面 \partial V

上的通量,等於該曲面包裹住的體積 V 裡的 \mathbf{F} 全部的散度( \mathbf{F} 的散度的體積積分)。這是可以想象的,畢竟通量就是在計算有多少場從這個閉合曲面裡發散出去了,也就是總共的散度(散度的積分)。

斯托克斯定理Stokes' Theorem:一個向量場 \mathbf{F} 在閉合曲線 \partial S 上的環量,等於該曲線環住的曲面 S 上的 \mathbf{F} 全部的旋度( \mathbf{F} 的旋度的曲面積分)。這也是可以想象的,畢竟環量就是在計算有多少場和這個環方向一樣(有多少場在沿著這個環旋轉),也就是總共的旋度(旋度的積分)。

總結如下表:

     曲面積分  曲線積分

積分形式  通量    環量

聯絡   高斯定理 斯托克斯定理

微分形式

  散度    旋度