华中科技大学电信学院 高等电磁场讲义

### 华中科技大学电信学院高等电磁场讲义知识点解析 #### 一、绪论与场论基础 在《华中科技大学电信学院高等电磁场讲义》中，第一章主要介绍了场论的基本概念，这对于后续深入理解电磁场理论至关重要。场论是研究电磁现象的重要工具之一，通过对基本算子和其运算规则的介绍，为后续更复杂的电磁场问题提供坚实的数学基础。 #### 二、∇算子的概念与应用 **∇算子**是场论中最核心的概念之一，它在不同坐标系中的定义和应用对理解和解决电磁场问题有着至关重要的作用。在曲线坐标系中，∇算子被定义为： \[ \nabla = \frac{1}{h_1}\frac{\partial}{\partial v_1} + \frac{1}{h_2}\frac{\partial}{\partial v_2} + \frac{1}{h_3}\frac{\partial}{\partial v_3} \] 其中，\(h_1\)、\(h_2\)和\(h_3\)分别代表沿坐标轴\(v_1\)、\(v_2\)和\(v_3\)方向的拉梅系数。对于不同的坐标系，这些系数的值也有所不同。例如，在直角坐标系中，所有拉梅系数均为1；而在圆柱坐标系中，沿着\(v_2=\rho\)方向的拉梅系数为\(\rho\)；球坐标系中则更为复杂。 #### 三、∇算子的运算规则 在掌握了∇算子的基本定义后，接下来需要了解其在计算梯度、散度和旋度时的具体应用。这些运算不仅限于直角坐标系，在其他坐标系中也有相应的表示方式。 1. **梯度**：对于标量函数\(f\)，其梯度可以用∇算子表示为： \[ \nabla f = \frac{1}{h_1}\frac{\partial f}{\partial v_1}\hat{v}_1 + \frac{1}{h_2}\frac{\partial f}{\partial v_2}\hat{v}_2 + \frac{1}{h_3}\frac{\partial f}{\partial v_3}\hat{v}_3 \] 2. **散度**：对于矢量函数\(\mathbf{F}\)，其散度可以通过以下表达式来计算： \[ \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{1}{h_1 h_2 h_3} \left( \frac{\partial}{\partial v_1}(h_2 h_3 F_1) + \frac{\partial}{\partial v_2}(h_1 h_3 F_2) + \frac{\partial}{\partial v_3}(h_1 h_2 F_3) \right) \] 3. **旋度**：同样地，对于矢量函数\(\mathbf{F}\)，其旋度定义为： \[ \nabla \times \mathbf{F} = \frac{1}{h_1 h_2 h_3} \left( \hat{v}_1 \left( \frac{\partial (h_3 F_3)}{\partial v_2} - \frac{\partial (h_2 F_2)}{\partial v_3} \right) + \hat{v}_2 \left( \frac{\partial (h_1 F_1)}{\partial v_3} - \frac{\partial (h_3 F_3)}{\partial v_1} \right) + \hat{v}_3 \left( \frac{\partial (h_2 F_2)}{\partial v_1} - \frac{\partial (h_1 F_1)}{\partial v_2} \right) \right) \] #### 四、∇算子的运算规律 为了方便后续的计算，讲义还列举了一系列常用的∇算子运算规律： 1. **线性组合**：对于任意两个标量函数\(\phi\)和\(\psi\)以及任意两个矢量函数\(\mathbf{F}\)和\(\mathbf{G}\)，有： \[ \nabla (\phi + \psi) = \nabla \phi + \nabla \psi \] \[ \nabla \cdot (\mathbf{F} + \mathbf{G}) = \nabla \cdot \mathbf{F} + \nabla \cdot \mathbf{G} \] \[ \nabla \times (\mathbf{F} + \mathbf{G}) = \nabla \times \mathbf{F} + \nabla \times \mathbf{G} \] 2. **乘法规则**：此外，还有一些重要的乘法规则： \[ \nabla (\phi \mathbf{F}) = (\nabla \phi) \otimes \mathbf{F} + \phi (\nabla \mathbf{F}) \] \[ \nabla \cdot (\phi \mathbf{F}) = (\nabla \phi) \cdot \mathbf{F} + \phi (\nabla \cdot \mathbf{F}) \] \[ \nabla \times (\phi \mathbf{F}) = (\nabla \phi) \times \mathbf{F} + \phi (\nabla \times \mathbf{F}) \] 3. **矢量恒等式**：还有一些非常重要的矢量恒等式，例如： \[ \nabla \cdot (\mathbf{F} \times \mathbf{G}) = \mathbf{G} \cdot (\nabla \times \mathbf{F}) - \mathbf{F} \cdot (\nabla \times \mathbf{G}) \] \[ \nabla \times (\mathbf{F} \times \mathbf{G}) = \mathbf{F} (\nabla \cdot \mathbf{G}) - \mathbf{G} (\nabla \cdot \mathbf{F}) + (\mathbf{G} \cdot \nabla) \mathbf{F} - (\mathbf{F} \cdot \nabla) \mathbf{G} \] 通过以上内容的学习，我们可以更加深入地理解电磁场中的各种现象，并能够运用这些数学工具来解决实际问题。这对于后续深入学习电磁学理论和应用都具有重要意义。