§8 Градиент потенциала

Выразим теперь напряженность электрического поля через потенциал. Пусть 1 и 2 — две бесконечно близкие точки, расположенные на оси X, так что x2 − x1 = dx (рис. 1.16). PIC
Рис. 1.16:
Работа при перемещении единичного заряда из точки 1 в точку 2 равна Ex dx. Та же работа равна ϕ1 − ϕ2 = −dϕ. Приравнивая оба выражения, получим dϕ = −ex dx. Аналогичное рассуждение применимо для осей Y и Z. В результате находим все три компоненты вектора E→:

E→ = −(∂ϕ ∂x, ∂ϕ ∂y, ∂ϕ ∂z).

(8.1)
Так как E→ есть вектор, то и выражение, стоящее в правой части, есть вектор. Его называют градиентом скаляра ϕ и обозначают gradϕ, или ∇ϕ. Его можно рассматривать, как произведение дифференциального оператора
∇ = e→x ∂ ∂x + e→y ∂ ∂y + e→z ∂ ∂z

на скаляр ϕ. Теперь формулу (8.1) можно записать короче:

E→ = −gradϕ = −∇ϕ.

(8.2)
Она явно формула показывает несущественность аддитивной постоянной в определении потенциала: константа просто не влияет на результат дифференцирования.

Можно дать инвариантное определение градиента, которое будет верно в произвольной криволинейной системе координат. Градиент функции ϕ(r→) есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания функции, а его длина равна производной функции в том же направлении. Чтобы пояснить смысл такого определения, проведем из произвольной точки r→ в каком-либо направлении единичный вектор s→. Проекция вектора A→ ≡ gradϕна это направление есть As = s→⋅A→ = s→⋅gradϕ. Но та же величина равна производной As = ∂ϕ∕∂s функции ϕ по направлению s→. В этом легко убедиться, проведя координатную ось в направлении вектора s→ и повторив рассуждения начала параграфа. Таким образом,

∂ϕ ∂s = s→⋅gradϕ.

Производная функции в каком-либо направлении равна проекции градиента этой функции на то же направление. Ясно, что эта производная максимальна, когда это направление совпадает с направлением градиента.

▸Задача  8.1

Вычислить ковариантные и контравариантные компоненты толя точечного заряда в произвольной криволинейной системе координат. Выразить физические компоненты толя точечного заряда в произвольной ортогональной системе координат через коэффициенты Ламэ.

Решение: Пусть xj — контравариантные координаты. Ковариантые компоненты Ej = −∂ϕ∕∂xj вектора E→ в этой системе координат находим по формуле

Ej = − ∂ ∂xj q r = q r2 ∂r ∂xj .

Контравариантные компоненты Ej находим по формуле

Ej = gjkE k ,

гдепо паре повторяющихся индексов подразумевается суммирование. Напомним, что

gjk = ∂r→ ∂xj⋅∂r→ ∂xk

есть метрический тензор, через который выражается элемент длины:

(dr→)2 = g jkdxj dxk .

Тензор gjk является обратным к нему:

gjkg kl = δlj .

В ортогональной системе координат элемент длины выражается через коэффициенты Ламэ:

(dr→)2 = (h 1 dx1)2 + (h 2 dx2)2 + (h 3 dx3)2 ,

а метрический тензор диагонален:

gjk = h12 0 0 0 h22 0 0 0 h32 .

Обратный ему тензор также диагонален:

gjk = (gjk)−1 = 1∕h12 0 0 0 1∕h22 0 0 0 1∕h32 .

Физические компоненты векторов определены в ортогональной системе координат, как среднее геометрическое произведения ковариантных и контравариантных компонент:

Eh1 = E1 E1 = E1∕h1 , Eh2 = E2 E2 = E2∕h2 , Eh3 = E3 E3 = E3∕h3 . ▸Задача  8.2

Записать толе точечного заряда в сферической и цилиндрической системах координат.

Решение: В сферической системе координат (r,θ,α) с центром в месте нахождения заряда отлична от нуля только первая ковариантная компонента вектора поля: E1 = q∕r2, так как ϕ = q∕r не зависит от θ и α. Из всех коэффициентов Ламэ (h1 = 1, h2 = r, h3 = rsinθ) именно h1 равен 1, поэтому ковариантная, контравариантная и физическая компоненты все равны друг другу: E1 = E1 = Er = q∕r2.

В цилиндрической системе координат (ρ,α,z) также с центром в месте нахождения заряда имеем: h1 = 1, h2 = ρ, h3 = 1, r = ρ2 + z2. Дифференцируя ϕ = q∕r, вычисляем ковариантные компоненты поля, и затем вновь приходим к выводу, что соответствующие ковариантная, контравариантная и физическая компоненты все равны: Eρ = (q∕r2)(ρ∕r), Eα = 0, Ez = (q∕r2)(z∕r).