电动力学每日一题 2021/10/13 用Fourier变换法计算静止电荷产生的电场

  • 静止点电荷
  • 具有均匀线密度的静止电荷产生的电场
  • 具有均匀面密度的静止电荷产生的电场

用Fourier变换法计算电场时可以在频域中解出标量势后将其变换到时域中求梯度得到电场,也可以在频域中就解出电场再将其变换到时域中;具体怎么做取决于在哪一步做Fourier逆变换更简单。

静止点电荷

假设原点处有一个带电量为qqq的静止点电荷,则空间中的电荷密度为
ρ(r,t)=qδ(r)=qδ(x)δ(y)δ(z)\rho(\textbf r,t)=q \delta(\textbf r)=q\delta(x)\delta(y)\delta(z)ρ(r,t)=qδ(r)=qδ(x)δ(y)δ(z)

用Fourier变换法计算由这个电荷密度产生的电场:

第一步,用4-D Fourier变换计算频域中的电荷密度
∫−∞+∞δ(r)e−(k⋅r)d3r=e−k⋅0=1ρ(k,w)=∫−∞+∞qδ(r)e−(k⋅r−wt)d3rdt=2πqδ(w)\int_{-\infty}^{+\infty} \delta(\textbf r)e^{-(\textbf k\cdot \textbf r)}d^3 \textbf r =e^{-\textbf k \cdot 0}=1\\ \rho(\textbf k,w)=\int_{-\infty}^{+\infty} q \delta(\textbf r)e^{-(\textbf k\cdot \textbf r - wt)}d^3\textbf r dt=2 \pi q \delta(w)∫−∞+∞​δ(r)e−(k⋅r)d3r=e−k⋅0=1ρ(k,w)=∫−∞+∞​qδ(r)e−(k⋅r−wt)d3rdt=2πqδ(w)

第二步,在频域中计算标量势
ψ(k,w)=ρ(k,w)ϵ0[k2−(w/c)2]=2πqδ(w)ϵ0[k2−(w/c)2]\psi(\textbf k,w)=\frac{\rho(\textbf k,w)}{\epsilon_0[k^2-(w/c)^2]}=\frac{2 \pi q \delta(w)}{\epsilon_0[k^2-(w/c)^2]}ψ(k,w)=ϵ0​[k2−(w/c)2]ρ(k,w)​=ϵ0​[k2−(w/c)2]2πqδ(w)​

第三步,用4-D Fourier逆变换计算时域中的标量势
ψ(r,t)=(2π)−4∫−∞+∞ψ(k,w)ei(k⋅r−wt)d3kdw=(2π)−4∫−∞+∞2πqδ(w)ϵ0[k2−(w/c)2]ei(k⋅r−wt)d3kdw\begin{aligned} \psi(\textbf r,t) & = (2 \pi)^{-4} \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(\textbf k,w)e^{i(\textbf k \cdot \textbf r - wt)}d^3 \textbf k d w \\ & = (2 \pi)^{-4} \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{2 \pi q \delta(w)}{\epsilon_0[k^2-(w/c)^2]}e^{i(\textbf k \cdot \textbf r - wt)}d^3 \textbf k d w\end{aligned}ψ(r,t)​=(2π)−4∫−∞+∞​ψ(k,w)ei(k⋅r−wt)d3kdw=(2π)−4∫−∞+∞​ϵ0​[k2−(w/c)2]2πqδ(w)​ei(k⋅r−wt)d3kdw​

其中
∫−∞+∞δ(w)[k2−(w/c)2]e−iwtdw=e−iwt[k2−(w/c)2]∣w=0=1k2\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\delta(w)}{[k^2-(w/c)^2]}e^{-iwt}dw = \left. \frac{e^{-iwt}}{[k^2-(w/c)^2]}\right|_{w=0}=\frac{1}{k^2}∫−∞+∞​[k2−(w/c)2]δ(w)​e−iwtdw=[k2−(w/c)2]e−iwt​∣∣∣∣​w=0​=k21​

所以
ψ(r,t)=(2π)−3(q/ϵ0)∫−∞+∞eik⋅rk2d3k\begin{aligned} \psi(\textbf r,t) & = (2 \pi)^{-3}(q/\epsilon_0) \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{i \textbf k\cdot \textbf r}}{k^2} d^3 \textbf k \end{aligned}ψ(r,t)​=(2π)−3(q/ϵ0​)∫−∞+∞​k2eik⋅r​d3k​

考虑如下图所示的几何关系,则k⋅r=krcos⁡θ\textbf k \cdot \textbf r=kr \cos \thetak⋅r=krcosθ,并且
∫−∞+∞d3k=∫0π∫02π∫0+∞k2sin⁡θdkdϕdθ=2π∫0π∫0+∞k2sin⁡θdkdθ\int_{-\infty}^{+\infty} d^3 \textbf k=\int_{0}^{\pi} \int_{0}^{2\pi}\int_0^{+\infty} k^2 \sin \theta dk d \phi d \theta = 2 \pi \int_{0}^{\pi} \int_0^{+\infty} k^2 \sin \theta dk d \theta ∫−∞+∞​d3k=∫0π​∫02π​∫0+∞​k2sinθdkdϕdθ=2π∫0π​∫0+∞​k2sinθdkdθ

因此
ψ(r,t)=(2π)−2(q/ϵ0)∫0π∫0+∞eikrcos⁡θk2k2sin⁡θdkdθ=q4π2ϵ0∫0+∞eikrcos⁡θ−ikr∣0πdk=q4π2ϵ0∫0+∞2sin⁡(kr)krdk=q4π2ϵ0r∫−∞+∞sin⁡xxdx=q4πϵ0r\begin{aligned} \psi(\textbf r,t) &= (2 \pi)^{-2}(q/\epsilon_0) \int_{0}^{\pi} \int_0^{+\infty}\frac{e^{i kr\cos \theta}}{k^2} k^2 \sin \theta d k d \theta \\ & = \frac{q}{4 \pi^2 \epsilon_0} \int_0^{+\infty} \left. \frac{e^{ikr \cos \theta}}{-ikr} \right|_{0}^{\pi}dk \\ & = \frac{q}{4 \pi^2 \epsilon_0} \int_0^{+\infty} \frac{2\sin(kr)}{kr}dk \\ & = \frac{q}{4 \pi^2 \epsilon_0 r} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin x}{x}dx = \frac{q}{4 \pi \epsilon_0 r} \end{aligned}ψ(r,t)​=(2π)−2(q/ϵ0​)∫0π​∫0+∞​k2eikrcosθ​k2sinθdkdθ=4π2ϵ0​q​∫0+∞​−ikreikrcosθ​∣∣∣∣​0π​dk=4π2ϵ0​q​∫0+∞​kr2sin(kr)​dk=4π2ϵ0​rq​∫−∞+∞​xsinx​dx=4πϵ0​rq​​

第四步,计算电场
E(r,t)=−∇ψ(r,t)=q4πϵ0r^r2\textbf E(\textbf r,t)=-\nabla \psi(\textbf r,t)=\frac{q}{4 \pi \epsilon_0} \frac{\hat r}{r^2}E(r,t)=−∇ψ(r,t)=4πϵ0​q​r2r^​

具有均匀线密度的静止电荷产生的电场

假设电荷在z-轴上均匀分布,线密度为λ0\lambda_0λ0​,则空间中的电荷密度为
ρ(r,t)=λ0δ(x)δ(y)\rho(\textbf r,t)=\lambda_0 \delta(x) \delta(y)ρ(r,t)=λ0​δ(x)δ(y)

用Fourier变换法计算由这个电荷密度产生的电场:

第一步,用4-D Fourier变换计算频域中的电荷密度
∫−∞+∞δ(x)δ(y)e−i(kxx+kyy+kzz)dxdydz=e−ikx0−iky02πδ(kz)=2πδ(kz)ρ(k,w)=∫−∞+∞λ0δ(x)δ(y)e−i(k⋅r−wt)d3rdt=(2π)2λ0δ(kz)δ(w)\int_{-\infty}^{+\infty} \delta(x)\delta(y)e^{-i(k_xx+k_yy+k_zz)}dxdydz=e^{-ik_x 0-ik_y0}2\pi \delta(k_z)=2 \pi \delta(k_z)\\ \rho(\textbf k,w)=\int_{-\infty}^{+\infty} \lambda_0 \delta(x)\delta(y)e^{-i(\textbf k\cdot \textbf r - wt)}d^3\textbf r dt=(2 \pi)^2 \lambda_0 \delta(k_z) \delta(w)∫−∞+∞​δ(x)δ(y)e−i(kx​x+ky​y+kz​z)dxdydz=e−ikx​0−iky​02πδ(kz​)=2πδ(kz​)ρ(k,w)=∫−∞+∞​λ0​δ(x)δ(y)e−i(k⋅r−wt)d3rdt=(2π)2λ0​δ(kz​)δ(w)

第二步,在频域中计算电场

E(k,w)=−iϵ0−1kρ+iμ0wJk2−(w/c)2=−iϵ0−1kρk2−(w/c)2=−ikρϵ0[k2−(w/c)2]\textbf E(\textbf k,w)=\frac{-i \epsilon^{-1}_0 \textbf k \rho + i \mu_0 w \textbf J}{k^2-(w/c)^2} = \frac{-i \epsilon^{-1}_0 \textbf k \rho }{k^2-(w/c)^2} =\frac{-i \textbf k \rho}{\epsilon_0[k^2-(w/c)^2]}E(k,w)=k2−(w/c)2−iϵ0−1​kρ+iμ0​wJ​=k2−(w/c)2−iϵ0−1​kρ​=ϵ0​[k2−(w/c)2]−ikρ​

第三步,将电场变换到时域中
∬−∞+∞(kxx^+kyy^+kzz^)δ(kz)δ(w)ei(kxx+kyy+kzz)−iwt[(kx2+ky2+kz2)−(w/c)2]dzdw=(kxx^+kyy^+kzz^)ei(kxx+kyy+kzz)−iwt[(kx2+ky2+kz2)−(w/c)2]∣kz=0,w=0=(kxx^+kyy^)ei(kxx+kyy)kx2+ky2\begin{aligned} &\iint_{-\infty}^{+\infty} \frac{(k_x\hat x+k_y \hat y+k_z \hat z)\delta(k_z)\delta(w)e^{i(k_xx+k_yy+k_zz)-iwt}}{[(k_x^2+k_y^2+k_z^2)-(w/c)^2]} dzdw \\ & =\left. \frac{(k_x\hat x+k_y \hat y+k_z \hat z)e^{i(k_xx+k_yy+k_zz)-iwt}}{[(k_x^2+k_y^2+k_z^2)-(w/c)^2]} \right|_{k_z=0,w=0} \\ &= \frac{(k_x \hat x + k_y \hat y)e^{i(k_xx+k_yy)}}{k_x^2+k_y^2} \end{aligned}​∬−∞+∞​[(kx2​+ky2​+kz2​)−(w/c)2](kx​x^+ky​y^​+kz​z^)δ(kz​)δ(w)ei(kx​x+ky​y+kz​z)−iwt​dzdw=[(kx2​+ky2​+kz2​)−(w/c)2](kx​x^+ky​y^​+kz​z^)ei(kx​x+ky​y+kz​z)−iwt​∣∣∣∣​kz​=0,w=0​=kx2​+ky2​(kx​x^+ky​y^​)ei(kx​x+ky​y)​​

所以
E(r,t)=(2π)−4∫−∞+∞−ikρϵ0[k2−(w/c)2]ei(k⋅r−wt)d3kdw=−i(2π)−2(λ0/ϵ0)∫−∞+∞∫−∞+∞(kxx^+kyy^)ei(kxx+kyy)kx2+ky2dkxdky\begin{aligned} \textbf E(\textbf r,t) & = (2 \pi)^{-4} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{-i \textbf k \rho}{\epsilon_0[k^2-(w/c)^2]}e^{i(\textbf k \cdot \textbf r-wt)}d^3 \textbf k dw \\ & = -i (2 \pi)^{-2}(\lambda_0/\epsilon_0)\int_{-\infty}^{+\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{(k_x \hat x + k_y \hat y)e^{i(k_xx+k_yy)}}{k_x^2+k_y^2} dk_xdk_y \end{aligned}E(r,t)​=(2π)−4∫−∞+∞​ϵ0​[k2−(w/c)2]−ikρ​ei(k⋅r−wt)d3kdw=−i(2π)−2(λ0​/ϵ0​)∫−∞+∞​∫−∞+∞​kx2​+ky2​(kx​x^+ky​y^​)ei(kx​x+ky​y)​dkx​dky​​

考虑下面的几何关系,
k∣∣=kxx^+kyy^,r∣∣=xx^+yy^k∣∣=∣k∣∣∣,r∣∣=∣r∣∣∣,r^∣∣=r∣∣r∣∣\textbf k_{||}=k_x \hat x + k_y \hat y,\textbf r_{||}=x \hat x + y \hat y \\ k_{||} = |\textbf k_{||}|,r_{||}=|\textbf r_{||}|,\hat r_{||} = \frac{\textbf r_{||}}{r_{||}}k∣∣​=kx​x^+ky​y^​,r∣∣​=xx^+yy^​k∣∣​=∣k∣∣​∣,r∣∣​=∣r∣∣​∣,r^∣∣​=r∣∣​r∣∣​​


kx2+ky2=k∣∣2kxx^+kyy^=k∣∣=k∣∣cos⁡(ϕ)r^∣∣kxx^+kyy^=k∣∣⋅r∣∣=k∣∣r∣∣cos⁡(ϕ)∫−∞+∞∫−∞+∞dkxdky=∫02π∫0+∞k∣∣dk∣∣dϕk_x^2+k_y^2 = k_{||}^2 \\ k_x \hat x + k_y \hat y = \textbf k_{||} = k_{||} \cos(\phi) \hat r_{||}\\ k_x \hat x + k_y \hat y = \textbf k_{||} \cdot \textbf r_{||} = k_{||}r_{||}\cos(\phi) \\ \int_{-\infty}^{+\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}dk_xdk_y = \int_{0}^{2\pi} \int_0^{+\infty} k_{||}d k_{||}d \phikx2​+ky2​=k∣∣2​kx​x^+ky​y^​=k∣∣​=k∣∣​cos(ϕ)r^∣∣​kx​x^+ky​y^​=k∣∣​⋅r∣∣​=k∣∣​r∣∣​cos(ϕ)∫−∞+∞​∫−∞+∞​dkx​dky​=∫02π​∫0+∞​k∣∣​dk∣∣​dϕ

所以
−i(2π)−2(λ0/ϵ0)∫−∞+∞∫−∞+∞(kxx^+kyy^)ei(kxx+kyy)kx2+ky2dkxdky=−iλ04π2ϵ0∫02π∫0+∞k∣∣cos⁡(ϕ)r^∣∣k∣∣2eik∣∣r∣∣cos⁡(ϕ)k∣∣dk∣∣dϕ=−iλ0r^∣∣4π2ϵ0∫02π∫0+∞cos⁡(ϕ)eik∣∣r∣∣cos⁡(ϕ)dk∣∣dϕ=λ0r^∣∣2πϵ0∫0+∞J1(k∣∣r∣∣)dk∣∣=λ02πϵ0r^∣∣r∣∣\begin{aligned}& -i (2 \pi)^{-2}(\lambda_0/\epsilon_0)\int_{-\infty}^{+\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{(k_x \hat x + k_y \hat y)e^{i(k_xx+k_yy)}}{k_x^2+k_y^2} dk_xdk_y \\ & = -i \frac{\lambda_0}{4 \pi^2 \epsilon_0} \int_{0}^{2\pi} \int_0^{+\infty} \frac{k_{||} \cos(\phi) \hat r_{||}}{k_{||}^2}e^{ik_{||} r_{||}\cos(\phi)}k_{||}d k_{||}d \phi \\ & = -i \frac{\lambda_0 \hat r_{||}}{4 \pi^2 \epsilon_0} \int_{0}^{2\pi} \int_0^{+\infty} \cos(\phi) e^{ik_{||} r_{||}\cos(\phi)}d k_{||}d \phi \\ & =\frac{\lambda_0 \hat r_{||}}{2 \pi \epsilon_0} \int_0^{+\infty} J_1(k_{||}r_{||})d k_{||} = \frac{\lambda_0}{2 \pi \epsilon_0} \frac{\hat r_{||}}{r_{||}}\end{aligned}​−i(2π)−2(λ0​/ϵ0​)∫−∞+∞​∫−∞+∞​kx2​+ky2​(kx​x^+ky​y^​)ei(kx​x+ky​y)​dkx​dky​=−i4π2ϵ0​λ0​​∫02π​∫0+∞​k∣∣2​k∣∣​cos(ϕ)r^∣∣​​eik∣∣​r∣∣​cos(ϕ)k∣∣​dk∣∣​dϕ=−i4π2ϵ0​λ0​r^∣∣​​∫02π​∫0+∞​cos(ϕ)eik∣∣​r∣∣​cos(ϕ)dk∣∣​dϕ=2πϵ0​λ0​r^∣∣​​∫0+∞​J1​(k∣∣​r∣∣​)dk∣∣​=2πϵ0​λ0​​r∣∣​r^∣∣​​​

具有均匀面密度的静止电荷产生的电场

假设电荷在xOz平面上均匀分布,面密度为σ0\sigma_0σ0​,则空间中的电荷密度为
ρ(r,t)=σ0δ(y)\rho(\textbf r,t)=\sigma_0 \delta(y)ρ(r,t)=σ0​δ(y)

变换到频域中,
ρ(k,w)=(2π)3σ0δ(x)δ(z)δ(w)\rho(\textbf k ,w) = (2 \pi)^3\sigma_0 \delta(x)\delta(z)\delta(w)ρ(k,w)=(2π)3σ0​δ(x)δ(z)δ(w)

计算电场,
E(r,t)=(2π)−4∫−∞+∞−iϵ0−1kρ+iμ0wJk2−(w/c)2ei(k⋅r−wt)d3kdw=σ02πϵ0∫−∞+∞−ikyy^eikyyky2dky=σ02ϵ0Sign(y)y^\begin{aligned} \textbf E(\textbf r,t)& = (2 \pi)^{-4} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{-i \epsilon^{-1}_0 \textbf k \rho + i \mu_0 w \textbf J}{k^2-(w/c)^2}e^{i(\textbf k \cdot \textbf r-wt)}d^3 \textbf k dw \\ & = \frac{\sigma_0}{2 \pi \epsilon_0} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{-ik_y \hat ye^{ik_yy}}{k_y^2}dk_y = \frac{\sigma_0}{2 \epsilon_0}Sign(y) \hat y\end{aligned}E(r,t)​=(2π)−4∫−∞+∞​k2−(w/c)2−iϵ0−1​kρ+iμ0​wJ​ei(k⋅r−wt)d3kdw=2πϵ0​σ0​​∫−∞+∞​ky2​−iky​y^​eiky​y​dky​=2ϵ0​σ0​​Sign(y)y^​​

电动力学每日一题 2021/10/13 用Fourier变换法计算静止电荷产生的电场相关推荐

  1. 电动力学每日一题 2021/10/23 载流板产生的电磁场

    电动力学每日一题 2021/10/23 载流板产生的电磁场 载流板的辐射 载流板的辐射 先验证电荷守恒: ∂ρ∂t=−∇⋅J=−∂∂zJz=0\frac{\partial \rho}{\partial ...

  2. 电动力学每日一题 2021/10/15 Fourier变换法计算均匀电流密度产生的磁场

    电动力学每日一题 2021/10/15 Fourier变换法计算均匀电流密度产生的磁场 无限长均匀电流 无限长圆柱面均匀电流密度 无限长均匀电流 假设z轴上有一根非常细的电线,携带均匀电流I0I_0I ...

  3. 电动力学每日一题 2021/10/14

    电动力学每日一题 2021/10/14 (a) Define r∣∣=xx^+yy^\textbf r_{||}=x\hat x+y\hat yr∣∣​=xx^+yy^​, r∣∣=x2+y2r_{| ...

  4. 电动力学每日一题 2021/10/12

    电动力学每日一题 2021/10/12 (a) To make the EM field trapped inside a perfectly electric conducting cavity, ...

  5. 电动力学每日一题 2021/10/11

    电动力学每日一题 2021/10/11 日复一日,必有精进! (a) Integrating the DDD-field over the surface of the sphere of radiu ...

  6. 电动力学每日一题 2021/10/10

    电动力学每日一题 2021/10/10 上大学以前觉得自己大概数理化都能学得不错,后来大一有两门课让我认清了现实,一门是程序设计,另一门是模电.程序设计学C语言,我当时学得勤奋刻苦,每次上机课都会主动 ...

  7. 力扣每日一题 2021.10.23

    文章目录 题目 思路 AC代码 后记 题目 492. 构造矩形 思路 很简单的模拟法,我们需要避免一些重复的运算,所以循环遍历到sqrt(area)即可.另外设置一个delt1与delt来记录每次le ...

  8. 每日一题2021.5.13 D. Corrupted Array

    D. Corrupted Array You are given a number n and an array b1,b2,-,bn+2, obtained according to the fol ...

  9. 计算机考研王道每日一题2021版

    王道每日一题 21考研 这是2021年 王道公众号 推送的每日一题(非统考408题目而是自主命题) 每日一题中包括数据结构.计算机组成原理.计算机网络.操作系统 每天题目答案与解析在第二天题目后面 为 ...

最新文章

  1. vba去oracle数据后乱码,vba中读取utf-8文件乱码问题
  2. Bootstrap学习-其它内置组件
  3. 用Windows Live Writer在51CTO写博客
  4. 15.看板方法——启动看板变革笔记
  5. 为何被主流抛弃-江西IDC机房价格为何居高不下缺少竞争力-2014年5月江西IDC排行榜...
  6. LeetCode 1253. 重构 2 行二进制矩阵(贪心)
  7. 作者:牛新(1983-),男,博士,国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室助理研究员...
  8. 什么配置的电脑可满足基因组索引构建的需求?
  9. sqlite和java_Java和SQLite
  10. 表-创建表-表的转换函数
  11. 【工具】adb下载安装及基本操作
  12. 大学生计算机科学项目,计算机科学学院喜获2018年大学生创新创业项目多个立项...
  13. 计算机视觉方向简介 | 多视角立体视觉MVS
  14. Flink(三十七)—— Flink 清理过期 Checkpoint 目录的正确姿势
  15. 浅谈简单快捷的服务器——私有云服务器!
  16. 放弃了又何需执着 ?
  17. sql语句 execute、executeQuery和executeUpdate之间的区别
  18. 几个不错的网站(仓库,资源)
  19. 广东省 建筑标准规范 合集
  20. Matplotlib 绘制圆环图的两种方法!

热门文章

  1. 【LDA学习系列】Gibbs采样python代码
  2. Administer Service Cloud
  3. 多线程高并发 底层锁机制与优化的最佳实践——各种锁的分类 || synchronized 关键字 倒底锁的是什么东西?|| CAS与ABA问题||锁优化||轻量级锁一定比重量级锁的性能高吗
  4. WebMagic功能——XPath、CSS选择器、正则表达式 || 抽取元素API、获取结果API || ​​​​​​​获取链接||​​​​​​​使用Pipeline保存结果
  5. Elasticsearch 2.0以上版本根据条件批量删除Java如何实现
  6. jQuery lazyload 懒加载
  7. 对Keil在线烧录程序弹出“The firmware of the connected J-Link[SN:xxxxxxxx] does not support......的问题解决
  8. matlab获取标量
  9. C++中指针和引用的区别
  10. Kmeans算法介绍及其实现