格林函数法ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8/8/2023,计算电磁学基础,1,经典的格林函数法，又称为点源函数法或影响函数法。,事实上，希尔伯特空间中的S-L系统（微分算子方程）与积分算子之间有着密切的联系，从这个联系中我们可以引入格林函数的定义，同时，利用这些格林函数，也就将微分方程的表述转化为积分方程，进而得到问题的求解。,格林函数与格林定理,经典的格林函数法，又称为点源函数法或影响函数法,1,有源,电磁场问题要求解,非齐次,波动方程，格林函数法是其中一种重要的求解方法。,格林函数表示单位强度的点源的产生的场，是非齐次波动方程的基本解。,在此基础上，可利用叠加原理求得任意分布的源所产生的场。,如果源的分布是未知的，也可借助格林函数建立积分方程，将求解非齐次波动方程转换为求解积分方程，从而有利于用数值方法对问题进行求解.,确定论问题,边值问题,有源电磁场问题要求解非齐次波动方程，格林函数法是其中一种重要,2,格林函数法的主要特点是：,1）直接求得问题的特解，（它不受方程类型和边界条件的局限），,2）通常结果用一个含有格林函数的有限积分表示，物理意义清晰，便于以统一的形式研究各类定解问题；,3）且对于线性问题，格林函数一旦求出，就可以算出任意源的场，这样将一个复杂的求解问题，就转换为关键是求解点源的相对简单的问题。,格林函数法的主要特点是：,3,1、点电荷密度的,函数表示,(1)、,函数,(,x,0,),(积分区域,V,包含,x,=,0,点),(,x,=,0,),函数-密度函数,1、点电荷密度的函数表示(1)、函数(x0)(积分区,4,(2),函数的一个重要性质,若,f,(,x,),在,x,点附近连续，则,同理，若,f,(,x,),在原点附近连续，则,这一性质称为,函数的选择特性,。,(2)函数的一个重要性质若 f(x)在x点附近连续,5,处于原点上的,单位点电荷,的密度用函数,(,x,),表示,(3)点电荷的电荷密度,处于原点上的,点电荷,Q,的,密度可用,Q,(,x,),表示,即,(积分区域,V,包含,x,=,x,点),(,x,x,点),处于,x,点上的点电荷,Q,的密度可用,Q,(,x,-,x,),表示,即,处于原点上的单位点电荷的密度用函数(x)表示(3)点电荷,6,2、格林函数引入,Green函数是与理想点源相联系的。,具体地说，Green函数是理想点源在给定边界条件下微分方程的解答。,用Green函数求解电磁场是场论中的重要方法之一。,当给定边界条件的Green函数比较容易求得时，利用Green函数计算分布场源的解答常常是方便的。,借助于有关点电荷的较简单的边值问题解决较复杂的边值问题。,2、格林函数引入Green函数是与理想点源相联系的。,7,静态场时，位于原点的,点电荷,q在自由空间产生的标量电位为,式中，,，G为静态场的自由空间Green函数。,上式表明，格林函数,G,将电荷与电位联系起来。,利用格林函数，分布电荷的标量位为,场与源,电荷源,静态场时，位于原点的点电荷q在自由空间产生的标量电位为式中，,8,时谐场中，位于原点的,电流元,Idl在自由空间产生的矢量磁位为,位于原点的,磁流元,I,m,dl在自由空间产生的矢量电位为,式中,，G,为交变场中的自由空间格林函数。,利用格林函数，分布电流和磁流的矢量位为,电流源,时谐场中，位于原点的电流元Idl在自由空间产生的矢量磁位为位,9,3、格林函数的一般概念,定义：纯点源产生的场,（不计初始条件和边界条件的影响）。,例子：,G=(r-r)，G|,=0,(,t,a,2,)G=(r-r)(t-t)，G|,=G|,t=0,=0,一般形式,L G(x,i,)=(x,i,-x,i,),G|,边界,=G|,初始,=0,3、格林函数的一般概念定义：纯点源产生的场,10,分类：,按泛定方程可以分为：,稳定问题的格林函数 L=,热传导问题的格林函数 L=(,t,a,2,),波动问题的格林函数 L=(,tt,a,2,),按边界条件可以分为,无界空间的格林函数，又称为基本解；,齐次边界条件的格林函数。,分类：,11,格林函数,稳定问题,G,=(r-r),输运问题,(,t,a,2,)G,=(r-r)(t-t),G|,t=0,=0,波动问题,(,tt,a,2,)G,=(r-r)(t-t),G|,t=0,=0,G,t,|,t=0,=0,无界空间,泊松方程的基本解,热传导方程,的基本解,波动,方程,的基本解,齐次边界,G|,=0,泊松方程的格林函数,热传导方程,的格林函数,波动,方程,的格林函数,稳定问题输运问题波动问题无界空间泊松方程的基本解热传导方程的,12,性质：,设数学物理方程为 L u(x)=f,(x),而格林函数方程为 L G(x)=,(x-x),在相同的齐次定解条件下,因为：f,(x)=,f,(x)(x-x)dx,所以：u,(x)=f,(x)G(x-x)dx,应用（求解数学物理方程的格林函数法）,范围：非齐次泛定方程、齐次定解条件,程序：先求出对应的格林函数，再积分得待求函数,格林函数是为了求解实际问题的,泊松方程而,找到的特殊函数，不同的实际问题对应不同的格林函数。,性质：格林函数是为了求解实际问题的泊松方程而找到的特殊函数，,13,4、稳定问题的基本解,原问题,点源问题,点电荷电场,方程,解,稳定问题的基本解可以利用静电场类比法得到,4、稳定问题的基本解原问题点源问题点电荷电场方程解稳定问题的,14,原问题,点源问题,关系,基本思路,原问题点源问题关系基本思路,15,求解方法,稳定问题的格林函数也可以利用静电场类比法得到。,点源问题可以看成接地的导体边界内在 r 处有一个电量为-,0,的点电荷。,边界内部的电场由点电荷与导体中的感应电荷共同产生。,在一些情况下，导体中所有感应电荷的作用可以用一个设想的等效电荷来代替，该等效电荷称为点电荷的电像。,这种方法称为,电像法,求解方法,16,例题,在半空间内求解稳定问题的格林函数,解：根据题目，定解问题为,这相当于在接地导体平面上方点 M(x,y,z)处放置一个电量为-,0,的点电荷，求电势。,设想在M的对称点 N(x,y,-z)处放置一个电量为+,0,的点电荷，容易看出在平面 z=0上电势为零，这表明在N点的点电荷就是电像。,例题解：根据题目，定解问题为 这相当于在接地导体平面上方,17,根据点电荷的电势公式，我们不难得到格林函数,根据点电荷的电势公式，我们不难得到格林函数,18,一个处于,x,点上的单位点电荷所激发的电势满足泊松方程,若方程的解满足第一类边界条件 ，则方程的解就叫做,第一类边值问题的格林函数,。,5、泊松方程,格林,函数,若方程的解满足第二类边界条件 则方程的解就叫做,第二类边值问题的格林函数,。,格林函数一般用,G,表示，则,G,所满足的微分方程为：,一个处于x点上的单位点电荷所激发的电势满足泊松方程若方程的,19,格林,函数与实际问题的对应关系：,格林函数:,实际问题:,求解区域,V,内,：,已知,(,x,),方程：,边界,S,上：,已知,令,令,已知,格林函数与实际问题的对应关系：格林函数:实际问题:求解区域V,20,在无界空间中,x,点上放一个单位点电荷，激发的电,因此，无界空间的格林函数为,常见的几个,格林,函数：,（1）无界空间的格林函数。,势为:,在无界空间中x点上放一个单位点电荷，激发的电因此，无界空间,21,当,Q,1,时，可得上半空间第一类边值问题的格林函数。,以导体平面上任一点为坐标原点，设点电荷所在点的坐标为(,x,y,z,)，场点坐标为(,x,y,z,)，上半空间格林函数为：,（2）上半空间的格林函数。,当Q1时，可得上半空间第一类边值问题的格,22,（3）球外空间的格林函数。,以球心,O,为坐标原点。设电荷所在点,P,的坐标为,R,，场点,P,的坐标为,R,。,y,z,x,R,R,R,0,r,o,（3）球外空间的格林函数。以球心O为坐标原点。设电荷所在点P,23,其中：,根据镜象法得,其中：根据镜象法得,24,由上分析可知，一般自由空间格林函数为标量，量纲为1/m。,它们将电荷、电流和电位、磁位联系起来。,在线性系统理论中，系统的冲击响应函数具有非常重要的地位。,在某种意义上，格林函数具备系统冲击响应函数的特征。,因此许多近代电磁场问题可以借助于格林函数，采用线性系统理论的方法来分析。,由上分析可知，一般自由空间格林函数为标量，量纲为1/m。,25,对,jDf,应用高斯定理，可得标量第一格林定理,第一格林定理相减，可得标量第二格林定理,6、标量格林公式,对 jDf应用高斯定理，可得标量第一格林定理6、标量格林公式,26,7、矢量格林公式,对区域V中任意两个矢量场P和Q，对P(DQ)应用高斯定理，可得矢量第一格林定理,若将第一格林定理相减，即得矢量第二格林定理,7、矢量格林公式对区域V中任意两个矢量场P和Q，对P(D,27,格林定理说明,区域中的场,与,边界上的场,之间的关系。因此，利用格林定理可以将区域中场的求解问题转变为边界上场的求解问题。,此外，格林定理说明了两种标量场或矢量场之间应该满足的关系。因此，如果已知其中一种场的分布特性，即可利用格林定理求解另一种场的分布特性。,格林定理说明区域中的场与边界上的场之间的关系。因此，利用格林,28,先考虑第一类边值问题,，设,V,内有电荷分布,，边界,S,上给定电势,|,s,，求,V,内的电势,(,x,)。,设区域内有两个函数,(,x,)和,(,x,)，格林公式:,取,(,x,)为实际问题的解，满足泊松方程,8、格林公式与边值问题的解,先考虑第一类边值问题，设V内有电荷分布，边界S上给定电势,29,取,(,x,)为格林函数,G,(,x,x,)，将,x,与,x,互换，则有,这就是用,Green,函数求解静电问题的一种形式解。,d,取(x)为格林函数G(x,x)，将x与x互换，,30,所以第一类边值问题的解为,由这公式，只要知道格林函数,G,(,x,x,)，在给定边界上的,|,s,值情形下就可算出区域内的,(,x,)，因而第一类边值问题完全解决。,在,第一类边值问题,中，格林函数满足边界条件,所以第一类边值问题的解为由这公式，只要知道格林函数G(x,x,31,对第二类边值问题,，由于,G,(,x,x,)是,x,点上单位点电荷所产生的电势，其电场通量在边界面,S,上应等于,1/,0,，即,满足上式的最简单的边界条件是,对第二类边值问题，由于G(x,x)是x点上单位点电荷,32,所以，第二类边值问题的解,其中,s,是电势在界面,S,上的平均值。,所以，第二类边值问题的解其中s是电势在界面S上的平均,33,1.12 并矢和并矢格林函数,在数学、物理和工程技术中引入矢量分析之后,使一些复杂的标量式用较简单的矢量式来描述。,而对于一些更复杂的物理量,如应力、各向异性媒质的介电常数或导磁率等,使用张量来描述很方便,这些量在三维空间坐标中是以二阶张量形式来表示。,张量：满足某种坐标转换关系的有序数组成的集合。,1、并矢,1.12 并矢和并矢格林函数在数学、物理和工程技术中引入矢量,34,并矢(式)实际上是三维空间坐标中二阶张量的一种特殊形式,其定义是两矢量或两矢性函数按一种特定规律组合的一种数学形式,记为 ，其定义式为,并矢(式)实际上是三维空间坐标中二阶张量的一种特殊形式,其定,35,任意两个矢量,a、b,并写在一起，,ab,称为,并矢,，即,张量积,任意的电流源(或磁流源)所引起的场都可以表示成并矢形式。,任意两个矢量a、b并写在一起，ab称为并矢，即张量积,36,2、并矢格林函数,自由空间并矢格林函数定义为,利用并矢格林函数，有,于是，并矢格林函数将电流密度J、磁流密度J,m,和电场E直接联系起来。,当散射场是各媒质、各面、各方向电流元的叠加，可采用并矢格林函数。,如采用并矢格林函数可简洁表示任意偶极源(电偶极源或磁流源)所引起的场。,2、并矢格林函数自由空间并矢格林函数定义为利用并矢格