电势与场

在一个没有任何电荷的无限大空间中,电势的分布遵循Laplace's equation:
![](http://latex.codecogs.com/png.latex?\frac{\partial^2V}{\partial x^2}+\frac{\partial ^2V}{\partial y^2}+\frac{\partial ^2V}{\partial z^2}=0)
接下来的讨论中,我们将针对拉普拉斯方程展开讨论,并将其用python代码模拟出来。

公式推导

在点(i,j,k)上我们对x的偏分可以写作:
![](http://latex.codecogs.com/png.latex?\frac{\partial V}{\partial x}\approx \frac{V(i+1,j,k)-v(i,j,k)}{\Delta x})
或者:
![](http://latex.codecogs.com/png.latex?\frac{\partial V}{\partial x} \approx \frac{V(i,j,k)-V(i-1,j,k)}{\Delta x})
因此,容易得到:
![](http://latex.codecogs.com/png.latex?\frac{\partial ^2V}{\partial x^2}\approx \frac{1}{\Delta x}[\frac{V(i+1,j,k)-V(i,j,k)}{\Delta x}-\frac{V(i,j,k)-V(i-1,j,k)}{\Delta x}])
再稍微做一点运算,得到:
![](http://latex.codecogs.com/png.latex?\frac{\partial ^2V}{\partial x^2}\approx \frac{V(i+1,j,k)+V(i-1,j,k)-2V(i,j,k)}{(\Delta x)^2})

对y,z方向上的偏分运算也是类似的,在此就不做推导,再将上面的式子代入Laplace's equation中,得到:

![](http://latex.codecogs.com/png.latex? V(i,j,k)=\frac{1}{6}[V(i+1,j,k)+V(i-1,j,k)+V(i,j+1,k)+V(i,j-1,k)+V(i,j,k+1)+V(i.j,k-1)])

我们先考虑平面的情况,因此上式改为:

![](http://latex.codecogs.com/png.latex? V(i,j)=\frac{1}{4}[V(i+1,j,k)+V(i-1,j,k)+V(i,j+1,k)+V(i,j-1,k)])

具体算法

我们首先预设一些初始值,并用上式不断的迭代这些值,直到这些值满足Laplace's equation

  • set initial value of laplace's V to be zero.
  • loop through all points(i,j) except the boundary,where values of V_n are fixed by the boundary conditions.
  • ![](http://latex.codecogs.com/png.latex?Return\ V_{n+1}(i,j)\ and\ \triangle V\ to\the\ calling\ program)
code
# -*- coding: utf-8 -*-
#  author:Ricardo Zi Tseng #
# electric potentials and fields:Laplace's Equation #

import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as pl
class Laplace(object):
    def __init__(self):
        self.V = np.array([[-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00]])

        self.temp_V = np.array([[-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00],
                                [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                                [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                                [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                                [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                                [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                                [-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00]])
    def Run(self):
        loop = True
        # sum_value = 0
        k = 0
        while(loop):
            temp = self.V
            for i in range(1,6):
                for j in range(1,6):
                    self.temp_V[i,j] = (self.V[i-1,j] + self.V[i+1,j] + self.V[i,j-1] + self.V[i,j+1])/4
                    # sum_value = sum_value + abs(self.temp_V[i,j]-self.V[i,j])
            self.V = self.temp_V
            # sum_value = sum_value/49
            k = k + 1   
            if k > 1:
            # if sum_value < 0.0001:
                loop = False
    def Show(self):
        print(self.V)
tips:

由于python中的list需要考虑到浅copy和深copy的问题,为了减少不必要的麻烦与错误,我直接将程序中的所有list转化为numpy中的矩阵了,效果理想。

运算结果

我们首先设定初始值:

                           [-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00],
                         [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,1.00],
                           [-1.00,-0.67,-0.33,0.00,0.33,0.67,1.00]

  • 第一次迭代
[[-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67        1.        ]
 [-1.         -0.500625   -0.20765625 -0.03128906  0.17905273  0.52476318   1.        ]
 [-1.         -0.43765625 -0.16132812 -0.0481543   0.09522461  0.46749695   1.        ]
 [-1.         -0.42191406 -0.14581055 -0.04849121  0.07418335  0.44792007   1.        ]
 [-1.         -0.45985352 -0.17204102 -0.05513306  0.08788757  0.48832691   1.        ]
 [-1.         -0.55308838 -0.26378235 -0.05910385  0.19407093  0.58809946   1.        ]
 [-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67         1.        ]]
  • 第十次迭代
[[-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67        1.        ]
 [-1.         -0.6715042  -0.33950297 -0.00741688  0.32681153  0.66439877  1.        ]
 [-1.         -0.67337165 -0.34377344 -0.01122901  0.32445917  0.66239877  1.        ]
 [-1.         -0.67355945 -0.34410226 -0.0113158   0.32455897  0.66232886  1.        ]
 [-1.         -0.6720973  -0.34143181 -0.00852736  0.32665836  0.66353442  1.        ]
 [-1.         -0.67005562 -0.33680115 -0.0042711   0.32938443  0.66572971  1.        ]
 [-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67        1.        ]]
  • 第十五次迭代
[[-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67        1.        ]
 [-1.         -0.66853725 -0.3344115  -0.0017874   0.33129     0.66668929  1.        ]
 [-1.         -0.66858639 -0.33585108 -0.00268339  0.33116261  0.6658073   1.        ]
 [-1.         -0.66850175 -0.33594729 -0.00268531  0.33125373  0.66571686  1.        ]
 [-1.         -0.66815249 -0.33519058 -0.00201488  0.33166784  0.6660607   1.        ]
 [-1.         -0.66803195 -0.33364162 -0.0010076   0.33187959  0.66698507  1.        ]
 [-1.         -0.67       -0.33        0.          0.33        0.67        1.        ]]

差不多到第十五次迭代的时候,就能算到理想值了。

一些较为复杂的情况

假设在无限大空间中有一块电势为1的平板,试试计算一下它周围的电势分布与场分布

等势线


三维图


电场分布


假设在无限大平面上有两块电势分别为1和-1的平板,试作出这个体系的电势图和电场分布

总结

总的来说,这道题目的算法并不复杂,难的地方可能在python值传递、浅copy和深copy的问题上,与其花大量时间研究python的内部机制,倒不如直接用numpy中的矩阵进行计算,也能大大简化代码。

致谢

绘图部分的代码参考了华杨学姐的代码

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 203,456评论 5 477
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,370评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,337评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,583评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,596评论 5 365
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,572评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,936评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,595评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,850评论 1 297
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,601评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,685评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,371评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,951评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,934评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,167评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 43,636评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,411评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容

  • http://python.jobbole.com/85231/ 关于专业技能写完项目接着写写一名3年工作经验的J...
    燕京博士阅读 7,545评论 1 118
  • Spring Cloud为开发人员提供了快速构建分布式系统中一些常见模式的工具(例如配置管理,服务发现,断路器,智...
    卡卡罗2017阅读 134,585评论 18 139
  • 最近在写个性化推荐的论文,经常用到Python来处理数据,被pandas和numpy中的数据选取和索引问题绕的比较...
    shuhanrainbow阅读 4,532评论 6 19
  • 课后练习题 基础题a = 10b = 3下面三题分别运算后 c=? ,以及 c 的类型 加分题 有若干只鸡兔同在一...
    悟道叔阅读 249评论 0 1
  • 文/老贝 你若让我安静 我会安静写诗 上帝呀,你晨起的忽悠 是我的一场灾难。 我的饥饿是有声可循的 喜剧更像棱镜 ...
    老贝y阅读 144评论 0 1