Поток поля. Дивергенция.
Пусть векторное поле образовано
вектором
.
Для наглядности будем считать - вектором скорости некоторого потока жидкости, движущейся стационарно. Представим, что некоторая поверхность S находиться в этом потоке и пропускает жидкость. Требуется вычислить, какое количество жидкости протекает через поверхность S.
единичный
вектор нормали к рассматриваемой
стороне поверхности S.
Потоком вектора
через поверхность S
называется интеграл П=
- (этот интеграл ещё называют поверхностным
интегралом II-го рода).(
- скалярное произведение)
Поток П вектора есть скалярная величина. Величина равна объему жидкости, которая протекает через поверхность S за единицу времени. В общем случае, поток поля вектора пропорционален числу векторных линий, пронизывающих поверхность.
Т.О. если мы рассматриваем графическое изображение векторного поля, то можно судить о величине потока через одинаковые площадки по густоте векторных линий – там, где линии расположены ближе друг к другу, там больше и величина потока.
Особый интерес представляет случай, когда поверхность замкнута и ограничивает некоторый объём V. Тогда поток вектора записывается в виде
П=
Если векторное поле - поле скоростей текущей жидкости, то величина потока П через замкнутую поверхность дает разность между количеством жидкости, вытекающей из области V и втекающей в неё за единицу времени.
Если П>0, то из области V вытекает больше жидкости, чем в неё втекает. Это значит, что внутри области имеются дополнительные источники. Если П<0, то в нутрии области V имеются стоки, поглощающие избыток жидкости.
Можно сказать, что источники – точки, откуда векторные линии начинаются, а стоки – точки, где векторные линии кончаются. Так в электростатическом поле источником является положительный заряд, стоком отрицательный заряд магнита.
Если П=0, то из области V вытекает столько же жидкости, сколько в неё втекает в единицу времени; внутри области либо нет ни источников ни стоков, либо они таковы, что их действие взаимно компенсируется.
Дивергенция - численная характеристика плотности источника или стока поля в данной точке.
- предел отношения потока поля через
некоторую замкнутую поверхность к
объёму, ограниченному этой поверхностью,
когда поверхность S
стягивается в точку М, называется
дивергенцией поля в точке М.
Если
то в точке М иметься источник поля
плотности
Если
то в точке М сток плотности
Если
то в точке М нет источников и нет
стоков.
Дивергенция характеризирует мощность (интенсивность) источника или стока.
Формула для вычисления дивергенции:
Пример: вычислить дивергенцию вектора
в т. М(1;2;3)
+3
+
>
0 - в точке находится источник.
Теорема: если функции P(x,y,z), Q(x,y,z), и R(x,y,z) - непрерывны вместе со своими частными производными первого порядка в ограниченной замкнутой области, имеющей объем V, то имеет место формула Остроградского-Гаусса.
П=
Формула Остроградского-Гаусса означает, что поток векторного поля через замкнутую поверхность S (в направлении внешней нормаль, т.е. изнутри) равен тройному интегралу от дивергенции этого поля по объему V, ограниченному данной поверхностью.
