贡献者： _Eden_
静电学问题中有一类非常常见的边值问题，例如已知接地导体的空腔中有电荷分布，求空腔内的电势；求带电导体在空间中产生的电场等。使用格林定理可以帮助我们高效率地计算边值问题。
设真空中的电荷分布为 $\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} )$，则空间中的静电势满足泊松方程
\begin{equation}
\nabla^2 \phi = -\frac{\rho}{\epsilon_0}~.
\end{equation}
定义函数 $\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$：
\begin{equation}
\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}~.
\end{equation}
它则满足以下泊松方程（下式中 $\nabla'^2$ 代表以 $r'$ 为自变量的拉普拉斯算子）
\begin{equation}
\nabla'^2 \psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=-4\pi\delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')~.
\end{equation}
定理 1 格林定理
设 $\phi,\psi$ 为区域 $V$ 上的标量函数，则通常有
\begin{equation}
\int_V (\phi \nabla^2 \psi -\psi\nabla^2\phi) \,\mathrm{d}{V} =\int_{\partial V}(\phi \nabla \psi-\psi\nabla\phi) \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } ~.
\end{equation}
证明： 由电场的高斯定律，$\int_V \nabla\cdot \boldsymbol{\mathbf{F}} \,\mathrm{d}{V} =\int_{\partial V} \boldsymbol{\mathbf{F}} \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } $，
\begin{equation}
\begin{aligned}
\int_{\partial V}&(\phi\nabla\psi-\psi\nabla\phi) \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } =\int_V \nabla \cdot (\phi\nabla\psi-\psi\nabla\phi) \,\mathrm{d}{V} \\
&=\int_V((\nabla\phi)\cdot(\nabla\psi)+\phi\nabla^2\psi-(\nabla\psi)\cdot(\nabla\phi)-\psi\nabla^2\phi) \,\mathrm{d}{V} \\
&=\int_V(\phi\nabla^2\psi-\psi\nabla^2\phi) \,\mathrm{d}{V} ~.
\end{aligned}
\end{equation}
下面我们用格林定理来解决静电边值问题。下面的体积分以及面积分都是以 $r'$ 为自变量作积分。将 式 1 式 3 中的 $\phi,\psi$ 代入 式 4 中，等式左边为
\begin{equation}
\begin{aligned}
&\int_V(\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'^2\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')-\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'^2\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')) \,\mathrm{d}{V}
\\
&=\int_V(-\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')4\pi \delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')+\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\frac{1}{\epsilon_0}\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')) \,\mathrm{d}{V} \\
&=-4\pi\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )+\frac{1}{\epsilon_0}\int_V\frac{\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|} \,\mathrm{d}{V} ~.
\end{aligned}
\end{equation}
等式右边为
\begin{equation}
\begin{aligned}
&\int_{\partial V}(\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')-\psi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} '))\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } \\
&=\int_{\partial V} \left(\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}\nabla'\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \right) \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } ~.
\end{aligned}
\end{equation}
因此有
\begin{equation}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int_V\frac{\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|} \,\mathrm{d}{V} +\frac{1}{4\pi}\int_{\partial V} \left(\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}\nabla'\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')-\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|} \right) \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } ~.
\end{equation}
上式中第一项描述了区域内电荷密度对电势的贡献，第二项描述了区域边界上的面电荷密度对区域内电势的贡献。
不难看出，为了得到 $V$ 内部的 $\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )$，我们需要同时代入 $\phi$ 和 $\partial \phi/\partial n$ 在边界上的取值。但一般情况下我们只知道其中之一，如果同时给定 $\phi$ 和 $\partial \phi/\partial n$ 在边界上的取值会因过约束而导致矛盾。根据静电势的唯一性定理（定理 1 ），只要知道 $\phi$ 或 $\partial \phi/\partial n$ 其中之一在边界上的取值，就可以得出唯一的电势分布。下面我们分别对它们进行讨论。
1. Dirichlet 边界条件下的 Green 函数
我们需要找到一个新的函数来替换之前的 $\psi$。定义 $G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$ 满足以下条件：
\begin{equation}
\begin{cases}
\nabla'^2G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=-4\pi\delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\\
G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')|_{\partial V}=0
\end{cases}~.
\end{equation}
我们称 $G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$ 为格林函数。用 $G_D$ 代替 $\psi$ 代入格林定理，可以得到
\begin{equation}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int_V \rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{V} -\frac{1}{4\pi}\int_{\partial V} \phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\nabla'G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } ~.
\end{equation}
对于某个特定区域形状（$\partial V$ 的形状），我们可以预先求出它的格林函数 $G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$。在求解具体问题时，给定任意的电荷分布 $\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$ 以及 Dirichlet 边界条件 $\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')|_{\partial V}$，都可以用式 10 求出电势分布。这就是格林函数方法的高效之处1。
大部分情况下手动解出格林函数是极其困难的，但对于一些特殊的边界，有很漂亮的格林函数。例如下面这个例子。
例 1 无限大导体平面的 Dirichlet Green 函数
设三维空间中 $z=0$ 下方是导体，$z=0$ 上方是真空。在 $(0,0,a)(a>0)$ 处有一个电荷量为 $+q$ 的电荷。求 $z=0$ 上方空间的电势分布。2
区域 $V$ 为 $z=0$ 上方空间。导体给出了边界条件 $\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')|_{\partial V}=0$。用 Dirichlet 格林函数方法来求解。设 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _+=(x,y,z), \boldsymbol{\mathbf{r}} _-=(x,y,-z)$，容易构造出以下函数
\begin{equation}
G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} _+, \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} _+- \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} _-- \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}~,
\end{equation}
它在区域 $V$ 内满足 Dirichlet 格林函数的两个条件。然后就可以利用
式 10 求解。设 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _1=(0,0,a), \boldsymbol{\mathbf{r}} _2-=(0,0,-a)$，得
\begin{equation}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=\frac{1}{4\pi \epsilon_0}\frac{q}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _1|}-\frac{1}{4\pi \epsilon_0}\frac{q}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _2|}~.
\end{equation}
例 2 球形边界的 Dirichlet Green 函数
设空间内有两个半径为 $a$ 的金属半球壳，将它们放置成一个球体，球心位于原点。上半球（$z>0$）球面的电势为 $V$，下半球球面电势为 $-V$。求球内电势分布，并写出电势 $\phi(0,0,z)$ 的解析表达式。
区域 $V$ 为以 $(0,0,0)$ 为圆心，$a$ 为半径的球。可以构造 Dirichlet 格林函数：
\begin{equation}
G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{a/r'}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} -(a^2/r'^2) \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}~,
\end{equation}
容易知道 $\nabla'^2G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=-4\pi\delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$。再考虑该函数在边界上的取值。$ \boldsymbol{\mathbf{r}} ',(a^2/r'^2) \boldsymbol{\mathbf{r}} '$ 同向，对从原点指向球的任意向量 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} ^*$，设它和 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} '$ 的夹角为 $\theta$，那么可以用余弦定理化简：
\begin{equation}
\begin{aligned}
&\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} ^*- \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{a/r'}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} ^*-(a^2/r'^2) \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}
\\&=\frac{1}{\sqrt{a^2+r'^2-2ar'\cos\theta}}-\frac{a/r'}{\sqrt{a^2+a^4/r'^2-2a^3/r'\cos\theta}}
\\&=\frac{1}{\sqrt{a^2+r'^2-2ar'\cos\theta}}-\frac{1}{\sqrt{a^2+r'^2-2ar'\cos\theta}}
\\&=0~.
\end{aligned}
\end{equation}
于是该函数完全满足
式 9 的两个条件。
下面来解决原问题。利用格林函数方法，可以推导 $\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )$ 的公式
\begin{equation}
\begin{aligned}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )&=-\frac{V}{4\pi}\int_{\text{上半球壳}}\nabla'G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } +\frac{V}{4}\int_{\text{下半球壳}}\nabla'G_D( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } \\
&=-\frac{Va^2}{4\pi}\int_{0}^{\pi/2} \,\mathrm{d}{\theta} ' \int_{0}^{2\pi}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\phi} '\frac{\partial }{\partial r'} \left(\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{a/r'}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} -(a^2/r'^2) \boldsymbol{\mathbf{r}} '|} \right) \\
&+\frac{Va^2}{4\pi}\int_{\pi/2}^{\pi} \,\mathrm{d}{\theta} ' \int_{0}^{2\pi}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\phi} '\frac{\partial }{\partial r'} \left(\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}-\frac{a/r'}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} -(a^2/r'^2) \boldsymbol{\mathbf{r}} '|} \right)
\\
&=\frac{Va^2}{4\pi}\int_0^{\pi/2} \,\mathrm{d}{\theta} '\int_0^{2\pi}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\phi} ' \left(\frac{(a^2-r^2)/a}{(a^2+r^2-2ar\cos\gamma)^{3/2}} \right)
\\& +
\frac{Va^2}{4\pi}\int_{\pi}^{\pi/2} \,\mathrm{d}{\theta} '\int_0^{2\pi}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\phi} ' \left(\frac{(a^2-r^2)/a}{(a^2+r^2-2ar\cos\gamma)^{3/2}} \right) ~.
\end{aligned}
\end{equation}
上式中 $\gamma$ 为 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} '$ 与 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} $ 的夹角。可以用中心对称关系将两个积分合并为一个积分（在中心对称的变换下，$\gamma$ 变为 $\pi-\gamma$，$\cos\gamma$ 反号，$ \,\mathrm{d}{\theta} '$ 也反号），计算得
\begin{equation}
\begin{aligned}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=&\frac{Va(a^2-r^2)}{4\pi}\int_{0}^{\pi/2} \,\mathrm{d}{\theta} '\int_0^{2\pi}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\phi} '\\
& \left(\frac{1}{(a^2+r^2-2ar\cos\gamma)^{3/2}}-\frac{1}{(a^2+r^2+2ar\cos\gamma)^{3/2}} \right) ~.
\end{aligned}
\end{equation}
不幸的是，这个积分如此复杂，以至于我们只能借助计算软件得到数值结果。对于 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} =(0,0,z)(|z|< r)$ 的情况，$\gamma=\theta'$。我们可以推出解析解：
\begin{equation}
\begin{aligned}
\phi(0,0,z)=&\frac{Va(a^2-z^2)}{2}\int_0^{\pi/2}\sin\theta' \,\mathrm{d}{\theta} '\\
& \left(\frac{1}{(a^2+z^2-2az\cos\theta')^{3/2}}-\frac{1}{(a^2+z^2+2az\cos\theta')^{3/2}} \right) \\
=&\frac{Va(a^2-z^2)}{2}\cdot \frac{1}{az} \left(\frac{1}{|a-z|}+\frac{1}{|a+z|}-\frac{2}{\sqrt{a^2+z^2}} \right) \\
=&V \left(\frac{a}{z}-\frac{a^2-z^2}{z\sqrt{a^2+z^2}} \right) , |z|< a~.
\end{aligned}
\end{equation}
要注意的是，如果要求球外（$|r|>a$）的电势，那么就要取球外为区域 $V$，边界 $\partial V$ 的法向量就是朝内的了。前面 $\partial G_D/\partial n'$ 的计算结果就要添上一个负号。于是当 $|z|>a$ 时，有
\begin{equation}
\begin{aligned}
\phi(0,0,z)=&\frac{Va(z^2-a^2)}{2}\cdot \frac{1}{az} \left(\frac{1}{|a-z|}+\frac{1}{|a+z|}-\frac{2}{\sqrt{a^2+z^2}} \right) \\
=&V \left(\frac{|z|}{z}-\frac{z^2-a^2}{z\sqrt{a^2+z^2}} \right) , |z|>a~.
\end{aligned}
\end{equation}
2. Neumann 边界条件下的 Green 函数
定义 $G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$ 满足以下条件：
\begin{equation}
\begin{cases}
\nabla'^2G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=-4\pi\delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\\
\left.\frac{\partial G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{\partial n}\right|_{\partial V}=const
\end{cases}~.
\end{equation}
第二个条件之所以写 $const$ 而不写 $0$，是因为这将违反高斯定律。我们可以根据高斯定律计算这个 $const$ 的值：
\begin{equation}
\begin{aligned}
&\int_V \nabla'^2 G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{V} =\int_{\partial V}\frac{\partial G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{\partial n} \,\mathrm{d}{S} =\int_{\partial V}const \,\mathrm{d}{S} =const\cdot A\\
&\int_V \nabla'^2 G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{V} =-4\pi\\
&\Rightarrow const=\frac{-4\pi}{A}~.
\end{aligned}
\end{equation}
其中 $A$ 为 $\partial V$ 的表面积。所以可以把
式 19 改写为
\begin{equation}
\begin{cases}
\nabla'^2G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=-4\pi\delta( \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ')\\
\left.\frac{\partial G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{\partial n}\right|_{\partial V}=-\frac{4\pi}{A}
\end{cases}~.
\end{equation}
代入格林定理后有
\begin{equation}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int_V \rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{V} +\frac{1}{4\pi}\int_{\partial V} G_N(r,r')\nabla'\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } +\frac{1}{A}\int_{\partial V}\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')~.
\end{equation}
注意，上式的最后一项只是一个常数，而静电势函数在 Neumann 边界问题中是无关紧要的（任意加减一个常数都仍然满足泊松方程和边界条件）。所以可以直接将解写为
\begin{equation}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int_V \rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{V} +\frac{1}{4\pi}\int_{\partial V} G_N(r,r')\nabla'\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ') \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{S}} } ~.
\end{equation}
例 3 无限大导体平面的 Neumann Green 函数
设三维空间中 $z=0$ 下方是导体，$z=0$ 上方是真空。在 $(0,0,a)(a>0)$ 处有一个电荷量为 $+q$ 的电荷。用 Dirichlet Green 函数、电像法都能很好地分析这个问题。这里我们试一下使用 Neumann 格林函数。
设 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _+=(x,y,z),r_-=(x,y,-z)$，构造函数 $G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} , \boldsymbol{\mathbf{r}} ')$：
\begin{equation}
G_N( \boldsymbol{\mathbf{r}} ^+, \boldsymbol{\mathbf{r}} ')=\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} _+- \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}+\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} _-- \boldsymbol{\mathbf{r}} '|}~.
\end{equation}
容易验证该函数在边界 $z=0$ 上满足 $\partial G_N/\partial n'=0$，于是它是 Neumann 格林函数。设 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _1=(0,0,a), \boldsymbol{\mathbf{r}} _2=(0,0,-a)$ 代入
式 23 求得电势解：
\begin{equation}
\begin{aligned}
\phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} )&=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _1|}+\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _2|}-\frac{1}{2\pi} \left(\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _1|}\frac{\partial \phi( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{\partial z'} \right) )\\
&=\frac{q}{4\pi\epsilon_0} \left(\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _1|}+\frac{1}{| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _2|} \right) +\frac{E_z( \boldsymbol{\mathbf{r}} ')}{2\pi| \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} _1|}~.
\end{aligned}
\end{equation}
1. ^ 大多数情况下手算仍是极其复杂的，但用计算机可以方便求解。
2. ^ 这个问题也可以用电像法来分析。
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