background image

 

281 

WYKŁAD Nr 22 
 

ELEMENTY TEORII POLA WEKTOROWEGO 

 
 
Def.1.1. (pole skalarne) 

 

Niech 

3

R

V

Jeżeli każdemu punktowi 

(

)

V

z

y

x

M

,

,

 przyporządkowany jest skalar, tzn. liczba 

)

(M

F

 to mówimy, że w 

obszarze V określone jest pole skalarne.  

 

Zatem,  każdą  funkcję 

R

V

F

:

  nazywamy  polem  skalarnym  określonym  w  obszarze  V.  Zamiast 

)

(M

F

 

możemy zapisać 

)

,

,

(

z

y

x

F

 
Def.1.2. (pole skalarne ciągłe, gładkie) 

 

Pole  skalarne  F  jest  polem  ciągłym,  gdy  funkcja 

(

)

z

y

x

F

,

,

  jest  funkcją  klasy 

0

C

  (tj.  funkcją  ciągłą).  Pole 

skalarne  F  jest  polem  gładkim,  gdy  funkcja 

(

)

z

y

x

F

,

,

  jest  funkcją  klasy 

1

C

  (tj.  funkcja  ta  ma  ciągłe 

pochodne cząstkowe I – go rzędu).  

 

Uwaga: Możemy również mówić o polu skalarnym klasy 

n

C

, jeśli funkcja 

(

)

z

y

x

F

,

,

 jest funkcją klasy 

n

C

 

(tj. funkcja ta ma ciągłe pochodne cząstkowe do rzędu n – tego włącznie). 
 
Def.1.3. (funkcja wektorowa) 

 

Funkcją  wektorową  jednej  zmiennej  nazywamy  odwzorowanie 

3

:

R

I

r

r

,  gdzie  I  oznacza  przedział  na 

prostej. Funkcje wektorowe zapisujemy w postaci: 

[

]

I

t

t

z

t

y

t

x

t

r

=

,

)

(

),

(

),

(

)

(

r

Funkcją wektorową  dwóch  zmiennych  nazywamy  odwzorowanie 

3

:

R

r

r

,  gdzie 

∆   oznacza  obszar  na 

płaszczyźnie. Funkcje wektorowe zapisujemy w postaci: 

[

]

=

)

,

(

,

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

v

u

v

u

z

v

u

y

v

u

x

v

u

r

r

 

Mówimy,  że  funkcja  wektorowa  jest  ciągła,  różniczkowalna,  całkowalna  na  pewnym  przedziale  I  (na 
pewnym  obszarze 

∆ ),  jeśli  funkcje: 

)

(

),

(

),

(

t

z

t

y

t

x

,  ( 

)

,

(

),

,

(

),

,

(

v

u

z

v

u

y

v

u

x

  )  są  ciągłe,  różniczkowalne, 

całkowalne na I (na 

∆ ). 

 
Def.1.4. (pole wektorowe) 

 

Mówimy,  że  w  obszarze  przestrzennym  V  określone  jest  pole  wektorowe,  jeżeli  każdemu  punktowi 

(

)

z

y

x

M

,

,

  z  tego  obszaru  V  przyporządkowany  jest  pewien  wektor 

[

]

)

,

,

(

),

,

,

(

),

,

,

(

z

y

x

R

z

y

x

Q

z

y

x

P

W

=

r

Współrzędne wektora 

W

r

 są funkcjami punktu 

(

)

z

y

x

M

,

,

.  

W

r

 jest symbolem funkcji wektorowej. 

 

Pole  wektorowe  wyznaczone  jest,  zatem  przez  podanie  trzech  funkcji: 

)

,

,

(

),

,

,

(

),

,

,

(

z

y

x

R

z

y

x

Q

z

y

x

P

 

określonych w pewnym obszarze V, co możemy zapisać: 

 

k

z

y

x

R

j

z

y

x

Q

i

z

y

x

P

W

r

r

r

r

+

+

=

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

gdzie 

V

z

y

x

)

,

,

(

 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 

lub też 

)

,

,

(

z

y

x

W

r

 

 
 
 

 

background image

 

282 

Def.1.5. (pole wektorowe ciągłe, różniczkowalne, klasy 

n

C

 

Pole wektorowe 

)

,

,

(

z

y

x

W

r

 nazywamy polem ciągłym, różniczkowalnym, jeżeli współrzędne wektora pola są 

funkcjami ciągłymi, różniczkowalnymi. 

Pole wektorowe 

)

,

,

(

z

y

x

W

r

 jest klasy 

n

C

, jeśli jego współrzędne są funkcjami klasy 

n

C

 
Def.1.6. (pole wektorowe jednostajne) 

 

Pole  wektorowe  nazywamy  polem  jednostajnym,  jeśli  wszystkie  wektory  tego  pola  są  równe,  tj.  mają  ten 
sam kierunek, zwrot i długość. 
 
Def.1.7. (linia pola wektorowego) 

 

Linią  pola  wektorowego  nazywamy  taką  krzywą,  która  jest  styczna  w  każdym  swym  punkcie  do  wektora 
pola odpowiadającemu temu punktowi. 
 

 

Przykłady pól wektorowych: pole elektryczne, pole grawitacyjne. 
 
Def.1.8. (operator Hamiltona, nabla) 

 

Operatorem wektorowym nabla (operatorem Hamiltona) oznaczanym 

∇ , nazywamy wektor symboliczny o 

składowych symbolicznych: 

z

y

x

,

,

. Jest to operator różniczkowania rzędu pierwszego. 

Zatem  

(1) 

 

k

z

j

y

i

x

r

r

r

+

+

=

 

 

lub 

 

 

=

z

y

x

,

,

 

 

Uwaga: Działanie nabli na pole skalarne lub wektorowe polega na tym, że nablę traktujemy jako wektor, a 

wynikiem „mnożenia” np. 

x

 przez funkcję 

)

,

,

(

z

y

x

F

 jest pochodna cząstkowa 

x

F

 

Def.1.9. (gradient funkcji skalarnej) 

 

Niech funkcja 

)

,

,

(

z

y

x

F

 posiada pochodne cząstkowe I – go rzędu w obszarze 

3

R

V

Gradientem  funkcji  skalarnej 

)

,

,

(

z

y

x

F

  nazywamy  wektor  o  składowych: 

z

F

y

F

x

F

,

,

.  Gradient 

funkcji F oznaczamy: 

F

grad

Zatem 

(2) 

k

z

F

j

y

F

i

x

F

F

r

r

r

+

+

=

grad

 

 

lub 

 

=

z

F

y

F

x

F

F

,

,

grad

 

 

Uwaga: Wykorzystując operator Hamiltona możemy zapisać: 

F

F

=

grad

 
Fakt 1.1. (własności gradientu funkcji skalarnej) 

 

Niech 

3

R

V

R

β

α

,

 oraz funkcje 

)

,

,

(

z

y

x

F

)

,

,

(

z

y

x

G

 mają gradienty w obszarze V.  

Wówczas: 

 

1.

 

(

)

G

F

G

F

grad

grad

grad

β

α

β

α

+

=

+

2.

 

(

)

G

F

F

G

G

F

grad

grad

grad

+

=

background image

 

283 

3.

 

2

grad

grad

grad

G

G

F

F

G

G

F

=

, gdzie 

0

)

,

,

(

z

y

x

G

4.

 

const

)

,

,

(

grad

=

=

z

y

x

F

F

0

r

 

Przykład: Wyznaczyć gradient funkcji skalarnej 

2

2

2

)

,

,

(

z

y

x

z

y

x

F

+

+

=

 

Rozwiązanie: 

 

Funkcja 

2

2

2

)

,

,

(

z

y

x

z

y

x

F

+

+

=

 ma pochodne cząstkowe rzędu I – go w obszarze 

(

)

{

}

0

,

0

,

0

\

3

R

=

V

Wyznaczamy pochodne cząstkowe I –go rzędu funkcji F

 

2

2

2

2

2

2

2

2

1

z

y

x

x

x

z

y

x

x

F

+

+

=

+

+

=

,  

2

2

2

z

y

x

y

y

F

+

+

=

,  

2

2

2

z

y

x

z

z

F

+

+

=

Zatem

   

 

k

z

y

x

z

j

z

y

x

y

i

z

y

x

x

F

r

r

r

2

2

2

2

2

2

2

2

2

grad

+

+

+

+

+

+

+

+

=

 

lub 



+

+

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

,

,

grad

z

y

x

z

z

y

x

y

z

y

x

x

F

 
Def.1.10. (dywergencja pola wektorowego) 

 

Niech będzie dane pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 różniczkowalne w sposób ciągły w obszarze 

3

R

V

Dywergencją  pola  wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  oznaczaną 

W

r

div

  nazywamy  funkcję  skalarną  określoną 

wzorem: 

 

(3) 

 

W

W

r

o

r

=

div

 

 

lub 

 

 

z

R

y

Q

x

P

W

+

+

=

r

div

 

 
Def.1.11. (pole bezźródłowe) 

 

Pole  wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  nazywamy  polem  bezźródłowym,  jeżeli  w  każdym  jego  punkcie  zachodzi 

warunek: 

0

div

=

W

r

 
Fakt.1.2. (własności dywergencji) 

 

Niech 

3

R

V

R

β

α

,

, funkcja 

)

,

,

(

z

y

x

F

 ma gradient w obszarze V oraz pola wektorowe 

)

,

,

(

1

1

1

1

R

Q

P

W

r

)

,

,

(

2

2

2

2

R

Q

P

W

r

 są różniczkowalne w sposób ciągły w tym obszarze.  

Wówczas: 

 

1.

 

(

)

2

1

2

1

div

div

div

W

W

W

W

r

r

r

r

β

α

β

α

+

=

+

2.

 

(

)

(

)

1

1

1

div

grad

div

W

F

W

F

W

F

r

r

o

r

+

=

 

Uzasadnienie własności 2.: 

Niech 

)

,

,

(

z

y

x

F

)

,

,

(

1

1

1

1

R

Q

P

W

r

. Wówczas: 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

+

+

+

+

=

+

+

=

y

Q

F

Q

y

F

x

P

F

P

x

F

R

F

z

Q

F

y

P

F

x

W

F

1

1

1

1

1

1

1

1

div

r

 

background image

 

284 

[

]

(

)

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

div

grad

,

,

,

,

W

F

W

F

z

R

y

Q

x

P

F

R

Q

P

z

F

y

F

x

F

z

R

F

y

Q

F

x

P

F

R

z

F

Q

y

F

P

x

F

z

R

F

R

z

F

r

r

o

o

+

=





+

+

+

=

=





+

+

+





+

+

=

+

+

 

 

Przykład: Wyznaczyć dywergencję pola wektorowego: 

k

yz

j

y

x

i

xz

W

r

r

r

r

2

4

2

3

5

2

+

+

=

 

Rozwiązanie: 

W rozważanym przypadku mamy:  

.

5

)

,

,

(

,

2

)

,

,

(

,

)

,

,

(

2

4

2

3

yz

z

y

x

R

y

x

z

y

x

Q

xz

z

y

x

P

=

=

=

 

Stąd 

 

 

 

 

yz

z

R

y

x

y

Q

z

x

P

10

,

8

,

3

2

3

=

=

=

 

Zatem   

 

 

 

yz

y

x

z

W

10

8

div

3

2

3

+

+

=

r

 
Def.1.12. (rotacja pola wektorowego) 

 

Niech 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 pole wektorowe różniczkowalne w sposób ciągły w obszarze 

3

R

V

Rotacją  pola  wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

,  którą  oznaczamy  symbolem 

W

r

rot

,  nazywamy  wektor  będący 

iloczynem wektorowym wektora symbolicznego nabla 

∇  i wektora pola 

W

r

:  

 

(4) 

W

W

r

r

×

=

rot

 

Korzystając z definicji iloczynu wektorowego dwóch wektorów możemy zapisać: 

 

(5) 

R

Q

P

z

y

x

k

j

i

W

=

r

r

r

r

rot

 

Uwaga: Rozwijając powyższy wyznacznik według pierwszego wiersza otrzymamy składowe rotacji wzdłuż 
osi układu, a mianowicie: 

 

k

y

P

x

Q

j

x

R

z

P

i

z

Q

y

R

W

r

r

r

r





+





+





=

rot

 
Def.1.13. (pole bezwirowe) 

 

Pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 nazywamy polem bezwirowym, jeżeli w każdym jego punkcie 

0

r

r

=

W

rot

 
Fakt 1.3. (własności rotacji) 

 

Niech 

3

R

V

R

β

α

,

, funkcja 

)

,

,

(

z

y

x

F

 ma gradient w obszarze V oraz pola wektorowe 

)

,

,

(

1

1

1

1

R

Q

P

W

r

)

,

,

(

2

2

2

2

R

Q

P

W

r

 są różniczkowalne w tym obszarze. 

Wówczas: 

 

1.

 

(

)

2

1

2

1

rot

rot

rot

W

W

W

W

r

r

r

r

β

α

β

α

+

=

+

2.

 

(

)

(

)

1

1

1

rot

grad

rot

W

F

W

F

W

F

r

r

r

+

×

=

 

Przykład: Wyznaczyć rotację pola wektorowego: 

[

]

y

x

z

W

cos

,

cos

,

cos

=

r

background image

 

285 

Rozwiązanie: 
W naszym przypadku mamy:  

.

cos

)

,

,

(

,

cos

)

,

,

(

,

cos

)

,

,

(

y

z

y

x

R

x

z

y

x

Q

z

z

y

x

P

=

=

=

 

Stąd na podstawie (7) mamy: 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

k

x

i

z

i

y

k

z

y

x

x

j

y

x

z

z

i

x

z

y

y

y

x

z

z

y

x

k

j

i

W

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

+

+

=





+

+





+





=

=

sin

sin

sin

cos

cos

cos

cos

cos

cos

cos

cos

cos

rot

 

 

Ostatecznie:   

 

 

[

]

x

z

y

W

sin

,

sin

,

sin

rot

=

r

 
Def.1.14. (laplasjan funkcji skalarnej) 

 

Laplasjanem  funkcji  skalarnej 

)

,

,

(

z

y

x

F

  oznaczanym  symbolem 

F

2

,  nazywamy  funkcję  skalarną 

określoną wzorem: 

 

(6) 

2

2

2

2

2

2

2

z

F

y

F

x

F

F

+

+

=

 

Przykład: Wyznaczyć laplasjan funkcji: 

x

y

z

z

y

x

F

arctg

)

,

,

(

=

 

Rozwiązanie: 
Funkcja określona na obszarze przestrzennym 

{

}

R

R

=

z

y

x

z

y

x

V

0

:

)

,

,

(

Obliczamy kolejno pochodne cząstkowe I – go rzędu: 

 

2

2

2

2

1

1

y

x

y

x

y

x

y

x

F

+

=

+

=

 

2

2

2

1

1

1

y

x

x

x

x

y

y

F

+

=

+

=

,   

1

=

z

F

 

Obliczamy pochodne cząstkowe II go rzędu (czyste): 

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

y

x

xy

x

y

x

y

x

F

+

=

+

=

,   

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

y

x

xy

y

y

x

x

y

F

+

=

+

=

,  

 

0

2

2

=

z

F

 

 

Stąd, na podstawie (6) otrzymujemy:

 

 

(

) (

)

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

+

+

+

+

=

y

x

xy

y

x

xy

F

 

Zatem ostatecznie:

 

 

 

 

 

0

2

=

∇ F

.

 

 
 
 
 

background image

 

286 

Def.1.15. (potencjał skalarny pola wektorowego) 

 

Niech 

3

R

V

 oraz 

R

V

F

:

Potencjałem  skalarnym  pola  wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  nazywamy  taką  funkcję  skalarną 

)

,

,

(

z

y

x

F

,  której 

gradient równa się wektorowi pola, tj. 

 

(7) 

W

F

r

=

grad

 

Równanie (7) jest równoważne trzem równaniom postaci: 

 

(8) 

 

 

)

,

,

(

z

y

x

P

x

F

=

)

,

,

(

z

y

x

Q

y

F

=

)

,

,

(

z

y

x

R

z

F

=

 
Def.1.16. (pole potencjalne) 

 

Pole wektorowe posiadające potencjał skalarny nazywamy polem potencjalnym
 
Tw.1.1. (warunek konieczny i wystarczający na potencjalne pole wektorowe) 

 

Niech 

3

R

V

  będzie  obszarem  jednospójnym, 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  –  polem  wektorowym  określonym  w  tym 

obszarze, 

)

,

,

(

z

y

x

F

 – funkcją dwukrotnie różniczkowalną na tym obszarze przestrzennym. 

Warunkiem  koniecznym  i  wystarczającym,  aby  pole  wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  było  potencjalne  jest,  aby 

rotacja tego pola w każdym punkcie obszaru V była wektorem zerowym, tj. 

0

r

r

=

W

rot

 
Uwaga:  Wyznaczanie  potencjału  skalarnego  pola  wektorowego  jest  równoważne  całkowaniu  różniczki 
zupełnej 

dz

z

y

x

R

dy

z

y

x

Q

dx

z

y

x

P

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

+

+

,  gdyż  wyznaczyć  potencjał  pola  wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  oznacza  znaleźć  funkcję  pierwotną 

)

,

,

(

z

y

x

F

  układu  trzech  funkcji: 

)

,

,

(

z

y

x

P

)

,

,

(

z

y

x

Q

)

,

,

(

z

y

x

R

 

Przykład: Sprawdzić, czy pole wektorowe 

[

]

2

2

2

,

2

2

,

2

x

y

xy

yz

xz

y

W

=

r

 jest potencjalne. Jeśli tak, 

wyznaczyć jego potencjał skalarny. 

 

Rozwiązanie: 

 

Pole wektorowe 

[

]

2

2

2

,

2

2

,

2

x

y

xy

yz

xz

y

W

=

r

 jest określone w całej przestrzeni trójwymiarowej. 

 

W rozważanym przypadku mamy:  

2

2

2

)

,

,

(

,

2

2

)

,

,

(

,

2

)

,

,

(

x

y

z

y

x

R

xy

yz

z

y

x

Q

xz

y

z

y

x

P

=

=

=

 

Obliczamy rotację podanego pola wektorowego: 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

0

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

=

+

+

+

+

=

=





+

+





+

+





=

=

k

y

y

i

x

x

i

y

y

k

xz

y

y

xy

yz

x

j

x

y

x

xz

y

z

i

xy

yz

z

x

y

y

x

y

xy

yz

xz

y

z

y

x

k

j

i

W

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

rot

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

 

Zatem   

 

 

3

)

,

,

(

R

z

y

x

 

0

r

r

=

W

rot

 

Wobec tego pole to jest polem potencjalnym. 

 

background image

 

287 

Wyznaczamy  teraz  funkcję 

)

,

,

(

z

y

x

F

  będącą  potencjałem  tego  pola.  Zgodnie  z  Def.1.15.  i  wzorem  (8) 

mamy:

 

(1

xz

y

x

F

2

2

=

(2

xy

yz

y

F

2

2

=

(3

2

2

x

y

z

F

=

 

Całkujemy (1) względem zmiennej x, traktując zmienne yz jako stałe: 

 

(4

)

,

(

)

,

,

(

2

2

z

y

z

x

y

x

z

y

x

F

ϕ

+

=

 

gdzie 

)

,

(

z

y

ϕ

 jest dowolną funkcją różniczkowalną pełniącą rolę stałej całkowania. 

 

Różniczkujemy (4) względem zmiennej y i otrzymany wynik porównujemy z (2): 

 

(5

y

xy

y

F

+

=

ϕ

2

 

po porównaniu otrzymujemy:

 

(6

xy

yz

y

xy

2

2

2

=

+

ϕ

 

Stąd

 

(7

yz

y

2

=

ϕ

 

 

Całkujemy (7) względem zmiennej y, traktując z jako stałą, wówczas: 

 

(8

)

(

)

,

(

2

z

y

z

z

y

φ

ϕ

+

=

 

gdzie 

)

(z

φ

 dowolna funkcja różniczkowalna pełniąca rolę stałej całkowania. 

 

Wstawiamy (8) do (4): 

 

(9

)

(

)

,

,

(

2

2

2

z

y

z

z

x

y

x

z

y

x

F

φ

+

+

=

 

 

Różniczkujemy (9) względem zmiennej z, a następnie porównujemy z (3). 
Stąd

 

(10

)

(

2

2

z

y

x

z

F

φ

+

+

=

 

więc: 

2

2

2

2

)

(

x

y

z

y

x

=

+

+

φ

 

 

Zatem 

 

(11

0

)

(

=

′ z

φ

 

 

Całkując (11) względem z

 

(12

C

z

=

)

(

φ

 

gdzie C – dowolna stała. 

 

Wstawiając (12) do (9) otrzymujemy szukany potencjał danego pola wektorowego: 

 

background image

 

288 

(13

C

y

z

z

x

y

x

z

y

x

F

+

+

=

2

2

2

)

,

,

(

 

Uwaga:  Wyznaczając  w  obszarze  jednospójnym  V  potencjał  skalarny  pola  wektorowego 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 

możemy korzystać ze wzoru: 

 

C

dz

z

y

x

R

dy

z

y

x

Q

dx

z

y

x

P

z

y

x

F

z

z

y

y

x

x

+

+

+

=

0

0

0

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

0

0

0

 

gdzie 

(

)

0

0

0

0

,

,

z

y

x

M

 jest dowolnym punktem obszaru V, w którym pole wektorowe jest różniczkowalne, a C 

– dowolną stałą. 
 
 
 
Tw.1.2. 

 

Jeżeli  pole  wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

  posiada  potencjał  skalarny 

)

,

,

(

z

y

x

F

  w  obszarze 

3

R

V

,  funkcja 

R

V

F

:

  jest  dwukrotnie  różniczkowalna  w  sposób  ciągły  na  tym  obszarze,  to  dywergencja  gradientu 

potencjału równa się laplasjanowi potencjału, tj. 

(

)

F

F

2

grad

div

=

 
Tw.1.3. 

 

Jeżeli  funkcja 

R

V

F

:

  jest  dwukrotnie  różniczkowalna  w  sposób  ciągły  na  obszarze 

3

R

V

,  to  rotacja 

gradientu tej funkcji jest wektorem zerowym, tj. 

(

)

0

r

=

F

grad

rot

 
Tw.1.4. 

 

Jeżeli pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 jest dwukrotnie różniczkowalne w sposób ciągły na obszarze 

3

R

V

, to 

dywergencja rotacji tego pola wektorowego równa się zeru, tj. 

(

)

0

rot

div

=

W

r

 
Def.1.17. (potencjał wektorowy pola wektorowego) 

 

Potencjałem wektorowym pola wektorowego 

W

r

 nazywamy każde pole wektorowe  a

r

 spełniające warunek:  

 

(9) 

W

a

r

r

=

rot

 
Def.1.18. (pole solenoidalne) 

 

Pole wektorowe posiadające potencjał wektorowy nazywamy polem solenoidalnym
 
Tw.1.5. 

 

Niech 

)

,

,

(

R

Q

P

W

r

 różniczkowalne pole wektorowe w obszarze przestrzennym V

Pole  wektorowe 

W

r

  jest  solenoidalne  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy 

0

div

=

W

r

  (pole  bezźródłowe).  Potencjał 

wektorowy pola solenoidalnego  W

r

 wyraża się wzorem: 

 

(10) 

F

dy

z

y

x

P

dx

z

y

x

Q

k

dx

z

y

x

R

j

a

y

y

x

x

x

x

grad

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

0

0

0

0

+

+

+

=

r

r

r

 

gdzie 

(

)

0

0

0

0

,

,

z

y

x

M

  jest  dowolnym  punktem  obszaru  V,  w  którym  pole  wektorowe  W

r

  jest 

różniczkowalne, a F – dowolne pole skalarne klasy 

2

C

background image

 

289 

Przykład:  Sprawdzić,  czy  pole  wektorowe 

[

]

xz

yz

yz

xy

xy

xz

W

=

,

,

r

  jest  solenoidalne  i  ewentualnie 

znaleźć jego potencjał wektorowy. 

 

Rozwiązanie: 

Sprawdzamy, czy 

0

div

=

W

r

Ponieważ 

(

) (

) (

)

0

div

=

+

+

=

x

y

z

x

y

z

W

r

, więc dane pole wektorowe jest polem solenoidalnym. 

Wyznaczamy jego potencjał wektorowy, przyjmując 

(

)

0

,

0

,

0

0

M

 i dowolną funkcję klasy 

2

C

)

,

,

(

z

y

x

F

Wówczas zgodnie z (10) mamy: 

+

+

=

=

+

+

+

=

+



+

+

+

+

=

+

+

+

=

z

F

y

x

xyz

y

F

z

x

xyz

x

F

z

F

y

F

x

F

xyz

y

x

k

z

x

xyz

j

F

xyz

y

x

k

z

x

xyz

j

F

dy

y

z

dx

yz

xy

k

dx

xz

yz

j

a

x

x

y

x

x

2

2

2

2

0

2

0

2

0

0

0

2

1

,

2

1

,

,

,

2

1

2

1

grad

0

2

1

2

1

grad

)

0

0

(

)

(

)

(

r

r

r

r

r

r

r

 

 

Ostatecznie potencjałem wektorowym danego pola wektorowego jest każdy wektor postaci: 

 

+

+

=

z

F

y

x

xyz

y

F

z

x

xyz

x

F

a

2

2

2

1

,

2

1

,

r

 

gdzie 

)

,

,

(

z

y

x

F

 – dowolna funkcja skalarne klasy 

2

C