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F04 / FOUNDATION · 2.0 · 参考阅读 4 分钟,推导与练习另计

积分、通量、环流与边界条件

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积分把局部贡献加成整体。体积分对应体内总量;面积分的通量含法向投影;线积分的环流含切向投影。方向不同,符号可能不同。

从头理解

一个均匀场穿过平面,通量为 BAcosθ。将平面翻转,法向反号,通量反号。Gauss 定理把体内散度积分变成边界净通量;Stokes 定理把曲面旋度通量变成边界环流。

在材料界面让跨界薄盒或窄回路尺寸趋零,就得到法向 B 连续、无自由面电流时切向 H 连续。连续的不是所有场的全部分量。

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球体解析系数由这些条件确定,详见 C04C11。接收线圈也通过面积磁通积分工作。

自测:均匀 B 平行平面时磁通是多少?

为零,因为 B 与平面法向垂直。平行于平面不等于平行于法向。

面积分中的方向来自哪里

曲面带单位法向 n,磁通为 Φ=BndS\Phi=\int B\cdot n\,dS。若 B 均匀、面积 A、夹角 θ,则 Φ=BAcosθ。翻转法向会改变通量符号。Stokes 定理的回路方向与法向通过右手规则配对,不能独立指定。

VFdV=VFndS,S(×F)ndS=SFdl.\int_V\nabla\cdot F\,dV=\int_{\partial V}F\cdot n\,dS,\qquad\int_S(\nabla\times F)\cdot n\,dS=\oint_{\partial S}F\cdot dl.

边界条件的薄柱体和小回路推导见 C04。理解它们能解释为什么法向 B 连续,而不是要求所有 B 分量连续。

补充自测:闭合曲面的法向如何统一?

通常统一取外法向,每一小块面朝外。不是把所有面的法向都设置成同一个笛卡尔方向。

继续阅读:C04 积分定理与边界条件:把局部规律连成整体 · C11 球体退磁:从边界条件推导 N=1/3

参考文献与继续学习

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