Mathematical concept in vector calculus
Эта статья посвящена общему понятию математической теории векторных полей. Чтобы узнать о векторном потенциале в электромагнетизме, см.
Магнитный векторный потенциал . Чтобы узнать о векторном потенциале в механике жидкости, см.
функцию потока .
В векторном исчислении векторный потенциал — это векторное поле которого , ротор является заданным векторным полем. Это аналогично скалярному потенциалу , который представляет собой скалярное поле, градиент которого представляет собой заданное векторное поле.
Формально, учитывая векторное поле
векторный потенциал – это
векторное поле
такой, что
![{\displaystyle \mathbf {v} =\nabla \times \mathbf {A}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c51444e65310d3b4c5bbd519573fffea89a38c6b)
Последствие [ править ]
Если векторное поле
допускает векторный потенциал
, то из равенства
![{\displaystyle \nabla \cdot (\nabla \times \mathbf {A}) = 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e5fbe0f83e82a058195cef389350e8cadb8fb35)
(
дивергенция ротора
равна нулю) получаем
![{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {v} =\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf {A}) = 0,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a3eea4054b3accf06cda2d3f40654d1fa247c1a)
что подразумевает, что
![{\displaystyle \mathbf {v} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35c1866e359fbfd2e0f606c725ba5cc37a5195d6)
должно быть
соленоидальным векторным полем .
Позволять
![{\displaystyle \mathbf {v}:\mathbb {R} ^{3}\to \mathbb {R} ^{3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d258f3531c12827b0b0adf3182cf4bcc777c1fd1)
—
соленоидальное векторное поле , дважды
непрерывно дифференцируемое . Предположим, что
![{\displaystyle \mathbf {v} (\mathbf {x})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/25df89e95bf055d5044ee918d871c151c4cbbb37)
уменьшается по крайней мере так же быстро, как
![{\displaystyle 1/\|\mathbf {x} \|}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c485b4c2c071ff4391909246060d8141da3b8e26)
для
![{\displaystyle \|\mathbf {x} \|\to \infty }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4cb7f21599f515693bd3e6de124d6a6a5e899d5)
. Определять
![{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {x}) = {\frac {1}{4\pi }}\int _ {\mathbb {R} ^{3}}{\frac {\nabla _{ y}\times \mathbf {v} (\mathbf {y} )}{\left\|\mathbf {x} -\mathbf {y} \right\|}}\,d^{3}\mathbf {y } }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ae598b73c9e6e4373c760aa41ff51a12a86f1614)
где
![{\displaystyle \nabla _{y}\times}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fbedf5c0a9742000b5a990dbd3e7e0c6f00843ae)
обозначает завиток относительно переменной
![{\displaystyle \mathbf {y} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bb25a040b592282dc2a254c3117e792c3c81161f)
. Затем
![{\displaystyle \mathbf {A} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0795cc96c75d81520a120482662b90f024c9a1a1)
векторный потенциал для
![{\displaystyle \mathbf {v} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35c1866e359fbfd2e0f606c725ba5cc37a5195d6)
. То есть,
![{\displaystyle \nabla \times \mathbf {A} =\mathbf {v} .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8feb9b3f8e8bb846be33b72ef6d564272d414a0c)
Область целостности может быть ограничена любой односвязной областью.
. То есть,
также является векторным потенциалом
, где
![{\displaystyle \mathbf {A'} (\mathbf {x}) = {\frac {1}{4\pi }}\int _ {\Omega }{\frac {\nabla _{y}\times \mathbf {v} (\mathbf {y} )}{\left\|\mathbf {x} -\mathbf {y} \right\|}}\,d^{3}\mathbf {y} .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e032b348acf7f036bb238cb2741a53b9d6aaae24)
Обобщением этой теоремы является теорема о разложении Гельмгольца , которая утверждает, что любое векторное поле можно разложить как сумму соленоидального векторного поля и безвихревого векторного поля .
По аналогии с законом Био-Савара ,
также квалифицируется как векторный потенциал для
, где
.
Замена
( плотность тока ) для
и
( H-поле ) для
, дает закон Био-Савара.
Позволять
быть звездным доменом с центром в точке
, где
. Применяя лемму Пуанкаре для дифференциальных форм к векторным полям, тогда
также является векторным потенциалом для
, где
Неуникальность [ править ]
Векторный потенциал, допускаемый соленоидальным полем, не единственен. Если
векторный потенциал для
, тогда так и есть
![{\displaystyle \mathbf {A} +\набла f,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c02c8da495cd470e814da296872ab86d4e9b1f6c)
где
![{\displaystyle е}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/132e57acb643253e7810ee9702d9581f159a1c61)
— любая непрерывно дифференцируемая скалярная функция. Это следует из того, что ротор градиента равен нулю.
Эта неединственность приводит к некоторой степени свободы в формулировке электродинамики, или калибровочной свободе, и требует выбора калибра .
- «Основы инженерной электромагнетики» , Дэвид К. Ченг, Аддисон-Уэсли, 1993.