关于真空中无源波动方程的理解
最近在复习电磁场的有关知识,想要记录一下学习体会。
今天看了时变电磁场的有关章节,里边讲到了真空中的无源波动方程。我们回顾一下它的推到过程。
首先,该公式肯定是由麦克斯韦方程组得出的,所以我们先来写出真空条件下的麦克斯韦第一第二方程:
然后对二式左右两边同时取旋度,得到:
再然后就需要用到矢量恒等式了。由于一些矢量恒等式我一直没有搞明白,所以今天重点学习一下这部分的内容。
问:旋度的旋度等于什么?
我一直记不住这个公式,按照网上的说法,它等于散度的梯度减去拉普拉斯算子。
到这里我又有疑问了。
问:散度的梯度和拉普拉斯算子有什么区别?
从外观上看,两者都是一个矢量前边加了两个三角算子。
标量的拉普拉斯算子结果为标量,矢量的拉普拉斯算子结果则为矢量(三个标量的矢量和)这一点是无需置疑的。
同时,一个矢量的散度为标量,标量的梯度为矢量,即一个矢量散度的梯度是一个矢量。
总上,右边两项都是矢量;而旋度的旋度就好说了,一个矢量不论取多少次旋度,结果都是矢量。即左右两边都是矢量。
问:到底为什么同一个矢量,加了同样的两个三角算子,结果会不一样呢?
我是这么理解的:首先,拉普拉斯算子本来是对标量进行的操作,之所以在这里用于矢量操作,是因为先把这个矢量分解为了三个标量,也可以理解为这个矢量是一个“假矢量”。对这个假矢量的三个标量分别进行拉普拉斯运算,可以得到三个标量,再由得到的三个标量组合为一个”假结果矢量”。也就是说,这个矢量只是在输入和输出这两个接口是矢量,箱子里的运算过程都是标量运算。
下面再来看散度的梯度。散度的输入肯定是矢量,运算过程也是按矢量计算的,只是结果是标量。而标量的梯度是矢量,这个是比较好理解的,就不多说了。
问:旋度的旋度到底有何物理意义?
这个我没有查到,欢迎大佬补充。
这样,经过一番骚操作,我们得出旋度的旋度等于散度的梯度减去拉普拉斯算子。由于自由空间是无源场,所以电场的散度为零。也就是消去了第一项,只剩下了拉普拉斯算子。
同时,等式右边的矢量对时间求导,也可以理解为假矢量运算,即对三个标量分别运算。
这样结果就很完美了,唯一的真矢量被消去了,左边是假矢量,右边也是假矢量,极具对称美感。
问:完整的推导过程?