Формула Остроградского – Гаусса

Пусть в области G, ограниченной поверхностью σ, задано векторное поле Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru - единичный вектор внешней нормали к поверхности σ в точке М. Пусть функции Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru и их частные производные Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru непрерывны в замкнутой области G. Тогда справедлива формула Остроградского-Гаусса:

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru (22)

Поверхностный интеграл в правой части берётся по внешней стороне поверхности.

Или: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru

Векторная форма записи этой формулы: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . (23)

Физический смысл формулы Остроградского-Гаусса: для того, чтобы поток векторного поля в сторону внешней нормали был отличен от нуля, внутри области G должны быть источники или стоки поля. Но тогда Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru будет отлична от нуля. Само векторное поле как бы расходится от источников. Отсюда происходит название «дивергенция», или «расходимость».

Определение 11.Векторное поле Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru называется соленоидальным в области G, если в каждой точке этой области Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Пример 18. Поле электрического точечного заряда е, помещённого в начало координат, описывается в точке Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru вектором напряжённости Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , ( Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .) Покажем, что поле соленоидально в каждой точке пространства Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru ,кроме начала координат.

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Но Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru

Аналогично: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Тогда

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru ( Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru )= Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Отсюда видим, что Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , если Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru и Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , если Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , ч.т.д.

Из формулы Остроградского-Гаусса следует, что в объёмно односвязной области поток соленоидального поля через любую замкнутую поверхность, расположенную в этой области, равен нулю. Для объёмно неодносвязной области поток может и не быть равным нулю. Слово «соленоидальное» обозначает «трубчатое». Для соленоидального поля имеет место закон сохранения интенсивности векторной трубки, который заключается в следующем: в соленоидальном векторном поле Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru поток через любое сечение векторной трубки имеет одно и то же значение. Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Векторные линии соленоидального поля не могут начинаться или заканчиваться внутри этого поля. Они начинаются и заканчиваются либо на границе области, либо являются замкнутыми кривыми. Так, векторные линии магнитного поля, создаваемого током, проходящим по проводнику, замкнуты.

Любое векторное поле можно представить суммой потенциального и соленоидального полей.

Пример 19.Найти дивергенцию векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru и исследовать расположение источников и стоков.

Решение. По формуле (21): Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , если Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Это уравнение цилиндра. Внутри цилиндра, в области Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru - расположены стоки поля. Вне цилиндра, Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru - расположены источники поля. На самом цилиндре нет ни источников, ни стоков.

Пример 20.Найти поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru через полную поверхность сферы Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Решение.

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru По формуле Остроградского – Гаусса (23): Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Вычислим Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Тогда Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Учитывая смещение сферы по оси OX, перейдём к сферическим координатам: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Тогда уравнение сферы примет вид: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Получим:

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Ответ: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Пример 21.Найти поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru через часть поверхности эллипсоида Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru в направлении, составляющем тупой угол с OZ, используя формулу Остроградского – Гаусса.

Решение. Рассмотрим замкнутое тело, ограниченное координатными плоскостями Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru и заданной частью эллипсоида. Функции Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru непрерывны вместе со своими частными производными во всех точках Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Поток векторного поля через полную поверхность посчитаем по формуле (23)

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , где Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , т.е.

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Перейдём к новым координатам: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

В этом случае эллипсоид преобразуется в сферу с уравнением Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Имеем: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

С другой стороны, по свойству аддитивности поверхностного интеграла, поток П через замкнутую поверхность есть сумма потоков через часть эллипсоида, а также через части координатных плоскостей. Тогда: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Потоки через части координатных плоскостей, замыкающих наше тело, посчитаем по формуле (18).

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , т. к. Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru ;

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , т. к. Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru ;

Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , т. к. Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Ответ: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

Данный пример иллюстрирует ещё один способ вычисления потока через часть поверхности – достраивание поверхности до замкнутого тела. Таким образом, мы получили три способа решения задачи нахождения потока векторного поля через часть поверхности Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru :

1) по формуле (13), определяющей понятие «поток»: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru , сводя задачу к вычислению поверхностного интеграла первого рода,

2) по формуле (18), как поверхностный интеграл второго рода,

3) по формуле Остроградского – Гаусса, «замыкая» поверхность и пользуясь понятием сложения потоков.

Контрольное задание 8.

1. Найти дивергенцию поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru . Исследовать положение источников и стоков.

2. Найти поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru через полную поверхность тела, определяемого неравенствами: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

3. Найти поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru через полную поверхность тела, определяемого неравенствами: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

4. Найти поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru через полную поверхность тела, определяемого неравенствами: Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru .

5. Вычислить поток векторного поля Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru : а) через боковую поверхность конуса Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru в направлении внешней нормали; б) через всю поверхность сферы Формула Остроградского – Гаусса - student2.ru в направлении внешней нормали.

Наши рекомендации