Кривые, поверхности и интегралы по ним
От локального к интегральному
Поле задано в каждой точке, но измеряем мы почти всегда интегральные величины: вольтметр показывает напряжение — интеграл напряжённости вдоль пути; амперметр — ток, то есть поток плотности тока через сечение; калориметр — тепло, прошедшее через поверхность. Законы электромагнетизма в той форме, в какой они были открыты экспериментально, — законы Гаусса, Ампера, Фарадея — тоже сформулированы через интегралы по поверхностям и контурам. Поэтому прежде чем переходить к дифференциальным операторам, нужно научиться задавать кривые и поверхности, выбирать их ориентацию и вычислять интегралы по ним. Строгое изложение можно найти в [Фихтенгольц] и [Кочин]; здесь акцент сделан на геометрическом и физическом смысле.
Кривые и их ориентация
Параметризация кривой
Кривая задаётся векторной функцией , . Производная — касательный вектор; элемент длины ; ориентированный элемент , где — единичный касательный вектор. Ориентация кривой — выбор направления движения по ней (направления ); смена ориентации меняет знак . Кривая называется замкнутой (контуром), если .
В цилиндрических координатах . Для окружности радиуса в плоскости с обходом в сторону роста : , , длина .
Поверхности, нормаль и ориентация
Параметризация поверхности и нормаль
Поверхность задаётся функцией двух параметров . Векторы и касательны к поверхности, их векторное произведение перпендикулярно ей. Единичная нормаль и элемент площади: Ориентированный элемент поверхности — вектор . Ориентация поверхности — выбор одной из двух сторон, то есть знака нормали.
Для поверхности, заданной уравнением , нормаль пропорциональна градиенту: — это будет доказано в уроке о градиенте. Для координатных поверхностей цилиндрической системы нормали и элементы площади уже известны из предыдущего урока: на боковой поверхности цилиндра , ; на торце , .
Соглашения об ориентации
- Для замкнутой поверхности (ограничивающей объём ) нормаль выбирается внешней — направленной из объёма наружу.
- Для незамкнутой поверхности с краем направления нормали и обхода контура связаны правилом правого винта: при взгляде с конца обход виден против хода часовой стрелки. Задание ориентации контура индуцирует ориентацию поверхности и наоборот.
- На границе двух сред нормаль, если не сказано иное, направлена из среды 1 в среду 2.
Правило 2 определяет знак потока через поверхность, натянутую на контур, и, следовательно, знак ЭДС в законе Фарадея. В лабораториях курса ориентация задаётся явно: нормаль — стрелкой, обход — стрелкой на контуре; переключатель ориентации меняет оба направления согласованно.
Линейные интегралы
Линейный интеграл скалярного поля
Не зависит от ориентации. Примеры: длина кривой (), заряд нити с линейной плотностью : .
Линейный интеграл векторного поля
где — касательная составляющая. Интеграл меняет знак при смене ориентации. По замкнутому контуру он называется циркуляцией и обозначается .
Физический смысл линейного интеграла — работа. Если — сила, то — работа на пути ; вклад даёт только касательная к пути составляющая силы. Для электрического поля работа над единичным зарядом есть напряжение: В электростатике это напряжение не зависит от пути, и ; в переменном поле оно зависит от пути, и говорить о «напряжении между точками» без указания пути нельзя. Циркуляция напряжённости магнитного поля (А) называется магнитодвижущей силой и по закону полного тока равна току, охваченному контуром; циркуляция — ЭДС, наведённой в контуре.
Циркуляция измеряет, насколько поле «закручено» вдоль контура: она положительна, если поле в среднем направлено по обходу, отрицательна — если против, и равна нулю, если участки, где поле помогает движению, точно компенсируются участками, где оно мешает. Поле, циркуляция которого равна нулю по любому контуру, называется потенциальным; к этому мы вернёмся в уроке о роторе.
Поверхностные интегралы и поток
Поверхностный интеграл скалярного поля
Не зависит от ориентации. Примеры: площадь (), заряд поверхности с плотностью : .
Поток векторного поля
где — нормальная составляющая. Поток меняет знак при смене ориентации (стороны) поверхности. Единица: [единица ]·м².
Слово «поток» заимствовано из гидродинамики: если — скорость жидкости, то — объём жидкости, проходящий через поверхность за единицу времени. В теории поля ничего не течёт, но образ сохраняется: поток показывает, «сколько поля» пронизывает поверхность. Через поверхность, параллельную полю, поток равен нулю; через поверхность, перпендикулярную полю, он максимален. Вклады участков, где и , складываются со знаками, поэтому через замкнутую поверхность в однородном поле поток равен нулю — всё, что вошло, вышло.
| Поле | Поток | Единица | Смысл |
|---|---|---|---|
| Кл | поток смещения через замкнутую поверхность равен свободному заряду внутри (теорема Гаусса) | ||
| Вб | магнитный поток; через замкнутую поверхность всегда нуль | ||
| А | ток через сечение | ||
| Вт | тепловой поток (мощность) через поверхность |
Ток — не что иное, как поток плотности тока; эта точка зрения позволяет рассматривать проводник с неравномерным распределением по сечению (скин-эффект) тем же способом, что и однородный провод.
Объёмные интегралы
Объёмный интеграл
Ориентации не имеет. Примеры: заряд в объёме ; энергия электрического поля ; мощность потерь ; тепловая мощность , где — объёмное тепловыделение (Вт/м³).
Объёмный интеграл от векторного поля вычисляется покомпонентно — но только в декартовом базисе, так как цилиндрические базисные векторы нельзя вынести за знак интеграла.
Разобранные примеры
Поток однородной индукции через наклонённый виток
Круглый виток радиуса см помещён в однородное поле , Тл. Нормаль к плоскости витка образует с угол . Нормальная составляющая одинакова во всех точках плоского витка, поэтому При поток максимален: Вб; при — нуль; при он равен Вб — знак определяется выбором нормали. Если виток повернуть так, чтобы его нормаль смотрела в противоположную сторону, поток сменит знак, а вместе с ним и знак ЭДС при изменении .
Ток через провод с неравномерной плотностью тока
В круглом проводе радиуса мм плотность тока направлена вдоль оси и спадает от оси к поверхности по закону , А/м². Сечение — круг, , : Численно А. При однородной плотности по тому же сечению ток был бы А — вдвое больше. Обратите внимание на множитель в : без него интеграл дал бы величину неверной размерности.
Циркуляция поля прямого тока
Напряжённость магнитного поля вокруг бесконечного прямого провода с током : . Вычислим циркуляцию по окружности радиуса с центром на оси, обход по : , Результат не зависит от — это закон полного тока для данной геометрии. При А и см напряжённость А/м, а циркуляция А. При обратном обходе циркуляция равна А.
Напряжение в однородном поле по разным путям
Между пластинами плоского конденсатора , кВ/м, расстояние между пластинами мм. Напряжение вдоль прямой от пластины () к пластине (): В. По ломаному пути , где участок идёт вдоль на расстояние мм, а — наклонно к : на подынтегральное выражение ; на смещение даёт В. Напряжение одно и то же — признак потенциального поля.
Типичные ошибки
- Поток как произведение . Формула верна только для однородного поля и плоской поверхности, перпендикулярной ему. В общем случае нужны и интеграл.
- Потерянный знак. Поток и циркуляция имеют знак, определяемый ориентацией. Фраза «поток через поверхность равен 2 мВб» без указания нормали неполна, если поверхность незамкнута.
- в цилиндрических координатах. Правильно на торце и на боковой поверхности.
- Замена на . Вклад даёт только касательная составляющая; на участках, где поле перпендикулярно пути, интеграл равен нулю, даже если поле велико.
- Вынос за знак интеграла. Интеграл от вектора в цилиндрическом базисе нельзя вычислять как : направление меняется по поверхности.
Вопросы и упражнения
- Вычислите поток поля через боковую поверхность цилиндра , с внешней нормалью. Чему равен поток через торцы? Чему — полный поток через замкнутую поверхность цилиндра?
- Поле . Найдите вдоль четверти окружности радиуса от точки до и вдоль отрезка, соединяющего те же точки. Объясните совпадение.
- Поверхностная плотность заряда на диске радиуса зависит от расстояния до центра: . Найдите полный заряд диска. При мкКл/м², см вычислите .
- Плотность теплового потока на поверхности цилиндрической трубы радиуса см и длины м равна Вт/м² (радиально наружу). Найдите тепловой поток через поверхность трубы.
- Вычислите циркуляцию поля по окружности радиуса с центром в начале координат (обход против часовой стрелки при взгляде с конца ). Как изменится результат при смещении центра окружности на вектор ? Сделайте вывод о «закрученности» этого поля.
- Почему ток через два разных сечения одного и того же провода в стационарном режиме одинаков? Какое интегральное свойство при этом используется?
1. На боковой поверхности , , , : . На торцах , — поток нуль. Полный поток , то есть удвоенный объём цилиндра; в следующих уроках это объяснится через . 3. . Численно Кл нКл. 5. На окружности , , циркуляция . При смещении центра результат не меняется (прямая проверка: по окружности равна удвоенной площади круга независимо от положения). Поле закручено одинаково во всех точках — это твёрдотельное вращение, его «плотность вихря» постоянна.Ответы к пунктам 1, 3 и 5
Итоги
- Кривая и поверхность задаются параметрически; , — ориентированные элементы, их знак определяется выбранной ориентацией.
- Нормаль к замкнутой поверхности — внешняя; обход контура и нормаль к натянутой поверхности связаны правилом правого винта.
- Линейный интеграл — работа; для это напряжение, по замкнутому контуру — циркуляция (ЭДС, МДС).
- Поверхностный интеграл — поток; так определяются поток смещения, магнитный поток, ток и тепловой поток.
- Объёмные интегралы дают заряд, энергию, мощность; в цилиндрических координатах .
Далее — градиент и производная по направлению: первый из дифференциальных операторов, связывающий скалярное поле с векторным.