崔明，崔元順

(1.淮陰工學(xué)院 人事處，江蘇 淮安 223003;2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

0 引言

電磁場中的多極展開方法與內(nèi)容主要涉及靜電場的電勢、穩(wěn)恒磁場的磁矢勢及輻射場的推遲勢等方面，無論是在理論物理研究，還是在工程技術(shù)應(yīng)用中都具有十分重要的地位，例如，在原子結(jié)構(gòu)與光譜學(xué)中，原子核與外場相互作用能級(jí)或光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)需要考慮原子核的高階極矩表示;在分子物理中，單個(gè)一氧化碳分子、氟化氫分子是純粹的偶極分子代表，二氧化碳即是典型的純粹線形四極分子;在非線性光學(xué)中，需要考慮電偶極矩乃至電多極矩對外加周期性變化電磁場的非線性響應(yīng)特性;在無線電物理中，各種利用微波技術(shù)的天線發(fā)射與接收、電磁散射與逆散射、測井技術(shù)、探礦等等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－8］。已有文獻(xiàn)表明［9－11］，在涉及電磁場中多極展開問題時(shí)幾乎都是采用勢函數(shù)的辦法，本文不同于現(xiàn)有文獻(xiàn)，試圖另辟蹊徑，就靜電場問題，直接從電場強(qiáng)度矢量的疊加原理出發(fā)，著力于研究小區(qū)域中電荷分布在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生電場強(qiáng)度的多極展開過程，給出一些新的公式與結(jié)果，為相關(guān)場合下的需要提供參考。

1 電場強(qiáng)度的多極展開

在真空情況下，當(dāng)空間有限區(qū)域V中分布連續(xù)電荷ρ(r')時(shí)，由此電荷在場點(diǎn)r處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為［9］

其中，體積分遍及電荷分布的區(qū)域，場源 r'到場點(diǎn) r的位置矢量為 R=r－r'，而距離R=，如圖1所示。

依據(jù)(1)式中被積函數(shù)形式，對函數(shù)r/R3的每個(gè)直角坐標(biāo)分量分別按照(2)式進(jìn)行處理。令

圖1 物理模型

即

其中，兩點(diǎn)“∶”代表并矢間的二次內(nèi)積。對于(3)式中的第二部分，因?yàn)?r=er、2xi=exi，有

故矢量和為

其實(shí)，利用關(guān)系r'·(2φ)=(r'·2)φ，(3)式中的第二部分也可以直接由下式給出

同樣地，對于(3)式中更高階的第三部分，仿效上述運(yùn)算有

化合物 3B08：質(zhì)譜 ESI／MS（negative mode），m／z 273，［M－H］－。 1H NMR（500 MHz，CDCl3，TMS），δ為8.59（s，1H），8.34（d，J＝8.0 Hz，1H），8.16（d，J＝8.0 Hz，1H），7.64（t，J＝8.0 Hz，1H），7.31～7.34（m，2H），7.03（t，J＝8.5 Hz，2H），6.75（br.s，1H，NH），4.62（d，J＝6.0 Hz，2H）。

綜合以上計(jì)算，給出對應(yīng)于多元函數(shù)標(biāo)量展開(2)式的矢量展開式為

將(7)式代入(1)式，可得電場強(qiáng)度的展開結(jié)果為

其中

2 結(jié)果分析

現(xiàn)在對(8)式中展開結(jié)果的各主要項(xiàng)進(jìn)行分析與討論，并闡述其物理意義。

若定義體系的電偶極矩矢量為

(14)式即置于坐標(biāo)原點(diǎn)的電偶極矩P在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的靜電場強(qiáng)度。此外，因?yàn)?，故可以?14)式改寫為

依據(jù)E=－2φ關(guān)系，不難給出該電偶極子在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的靜電勢

對于(11)式，若定義體系的電四極矩并矢為

故(18)式可以改寫為

借此可以給出該電四極矩產(chǎn)生的靜電勢為

將(16)式、(20)式等關(guān)系與采用電勢展開方法所給出的表達(dá)式比較，可見結(jié)果完全一致［9］，表明上述的計(jì)算過程是可靠的。

3 結(jié)束語

本文不同于電勢函數(shù)的方法，直接以電場強(qiáng)度的積分表達(dá)式(1)式作為出發(fā)點(diǎn)，研究小區(qū)域中電荷分布在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生電場強(qiáng)度的多極展開方法，給出其處理過程與技巧。除了(9)式之外，用各階極矩描述電荷分布偏離球?qū)ΨQ的程度，用置于坐標(biāo)原點(diǎn)的各階極矩產(chǎn)生的電場強(qiáng)度逐步逼近其真實(shí)的結(jié)果。借助于常見的極矩定義(13)、(17)式，直接給出電場強(qiáng)度矢量的表示(14)、(18)式。此外，為了考察計(jì)算的可靠性，便于同電勢展開結(jié)果作比較，文中還給出了與電場強(qiáng)度相對應(yīng)的電勢表示式。文中對展開式每項(xiàng)代表的物理意義進(jìn)行了分析探討，對于相關(guān)的教學(xué)及應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

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