圖 1 )圓環坐標系的幾個坐標曲面 。紅色圓球面的
σ
=
30
∘
{\displaystyle \sigma =30^{\circ }}
。藍色環面的
τ
=
0.5
{\displaystyle \tau =0.5}
。黃色半平面的
ϕ
=
60
∘
{\displaystyle \phi =60^{\circ }}
。z-軸是垂直的,以白色表示。 x-軸以綠色表示。三個坐標曲面相交於點 P (以黑色的圓球表示),直角坐標 大約為
(
0.996
,
−
1.725
,
1.911
)
{\displaystyle (0.996,\ -1.725,\ 1.911)}
。
圖 2 )雙極坐標系繪圖。紅色圓圈變成上圖的紅色圓球面(
σ
{\displaystyle \sigma }
-坐標曲面),而藍色圓圈則變成藍色環面(
τ
{\displaystyle \tau }
-坐標曲面)。
圓環坐標系 (英語:Toroidal coordinates )是一種三維正交坐標系 。設定二維橢圓坐標系 包含於 xz-平面;兩個焦點
F
1
{\displaystyle F_{1}}
與
F
2
{\displaystyle F_{2}}
的直角坐標 分別為
(
−
a
,
0
,
0
)
{\displaystyle (-a,\ 0,\ 0)}
與
(
a
,
0
,
0
)
{\displaystyle (a,\ 0,\ 0)}
。將雙極坐標系繞著 z-軸旋轉,則可以得到圓環坐標系。雙極坐標系的兩個焦點,變為一個半徑為
a
{\displaystyle a}
的圓圈,包含於圓環坐標系的 xy-平面。稱這圓圈為焦圓 ,又稱為參考圓 。
數學定義
在三維空間裏,一個點 P 的圓環坐標
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
最常見的定義是
x
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
cos
ϕ
{\displaystyle x=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\cos \phi }
、
y
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
sin
ϕ
{\displaystyle y=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\sin \phi }
、
z
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle z=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
;
其中,
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
是直角坐標 ,
σ
{\displaystyle \sigma }
坐標是
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度 ,
τ
{\displaystyle \tau }
坐標是點 P 離兩個焦點的距離
d
1
{\displaystyle d_{1}}
與
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然對數:
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
圓環坐標的值域為
−
π
<
σ
≤
π
{\displaystyle -\pi <\sigma \leq \pi }
,
τ
≥
0
{\displaystyle \tau \geq 0}
,
0
≤
ϕ
<
2
π
{\displaystyle 0\leq \phi <2\pi }
。
坐標曲面
每一個
σ
{\displaystyle \sigma }
-坐標曲面 都是包含了焦圓,而不同心的圓球面。圓球半徑為
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
cot
σ
)
2
=
a
2
sin
2
σ
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+(z-a\cot \sigma )^{2}={\frac {a^{2}}{\sin ^{2}\sigma }}}
。
正值
σ
{\displaystyle \sigma }
的圓球面的圓心都在正 z-軸;而負值
σ
{\displaystyle \sigma }
的圓球面的圓心則在負 z-軸。當絕對值
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
增加時,圓球半徑會減小,圓心會靠近原點。當圓心與原點同點時,
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
達到最大值
π
/
2
{\displaystyle \pi /2}
。
每一個
τ
{\displaystyle \tau }
-坐標曲面 都是不相交的環面。每一個環面都包圍著焦圓。環面半徑為
z
2
+
(
x
2
+
y
2
−
a
coth
τ
)
2
=
a
2
sinh
2
τ
{\displaystyle z^{2}+\left({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a\coth \tau \right)^{2}={\frac {a^{2}}{\sinh ^{2}\tau }}}
。
τ
=
0
{\displaystyle \tau =0}
曲線與 z-軸同軸。當
τ
{\displaystyle \tau }
值增加時,圓球面的半徑會減少,圓球心會靠近焦點。
逆變換
圖 3 )點 P 的坐標
σ
{\displaystyle \sigma }
與
τ
{\displaystyle \tau }
的幾何詮釋。在一個方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
為常數的平面裏,圓環坐標系變成雙極坐標系。
F
1
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{1}P}}}
與
F
2
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{2}P}}}
的夾角
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度是
σ
{\displaystyle \sigma }
。
F
1
P
{\displaystyle F_{1}P}
與
F
2
P
{\displaystyle F_{2}P}
的比例的自然對數 是
τ
{\displaystyle \tau }
。
σ
{\displaystyle \sigma }
與
τ
{\displaystyle \tau }
的等值曲線都是圓圈,分別以紅色與藍色表示。兩條等值曲線以直角相交(以洋紅色表示)。
τ
{\displaystyle \tau }
是
d
1
{\displaystyle d_{1}}
與
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然對數 :
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
圓環坐標
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
可以用直角坐標
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
來表達。方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
的公式為
tan
ϕ
=
y
x
{\displaystyle \tan \phi ={\frac {y}{x}}}
。
點 P 與兩個焦點之間的距離是
d
1
2
=
(
x
2
+
y
2
+
a
)
2
+
z
2
{\displaystyle d_{1}^{2}=({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}+a)^{2}+z^{2}}
、
d
2
2
=
(
x
2
+
y
2
−
a
)
2
+
z
2
{\displaystyle d_{2}^{2}=({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a)^{2}+z^{2}}
。
如圖 3 ,
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
是兩條從點 P 到兩個焦點的線段
F
1
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{1}P}}}
與
F
2
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{2}P}}}
的夾角。這夾角的弧度是
σ
{\displaystyle \sigma }
。用餘弦定理 來計算:
cos
σ
=
d
1
2
+
d
2
2
−
4
a
2
2
d
1
d
2
{\displaystyle \cos \sigma ={\frac {d_{1}^{2}+d_{2}^{2}-4a^{2}}{2d_{1}d_{2}}}}
。
標度因子
圓環坐標
σ
{\displaystyle \sigma }
與
τ
{\displaystyle \tau }
的標度因子相等:
h
σ
=
h
τ
=
a
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\sigma }=h_{\tau }={\frac {a}{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
方位角的標度因子為
h
ϕ
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\phi }={\frac {a\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
無窮小體積元素是
d
V
=
a
3
sinh
τ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
d
σ
d
τ
d
ϕ
{\displaystyle dV={\frac {a^{3}\sinh \tau }{\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}}d\sigma d\tau d\phi }
。
拉普拉斯算子 是
∇
2
Φ
=
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
a
2
sinh
τ
[
∂
∂
σ
(
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
σ
)
+
∂
∂
τ
(
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
τ
)
+
1
sinh
τ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
∂
2
Φ
∂
ϕ
2
]
{\displaystyle \nabla ^{2}\Phi ={\frac {\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}{a^{2}\sinh \tau }}\left[{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left({\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \sigma }}\right)+{\frac {\partial }{\partial \tau }}\left({\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \tau }}\right)+{\frac {1}{\sinh \tau \left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)}}{\frac {\partial ^{2}\Phi }{\partial \phi ^{2}}}\right]}
。
其它微分算子,像
∇
⋅
F
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {F} }
、
∇
×
F
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {F} }
,都可以用
(
σ
,
τ
,
z
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ z)}
坐標表示,只要將標度因子代入在正交坐標系 條目內對應的一般公式。
應用
圓環坐標有一個經典的應用,這是在解析像拉普拉斯方程 這類的偏微分方程式 。在這些方程式裏,圓環坐標允許分離變數法 的使用。個典型的例題是,有一個圓環導體 ,請問其周圍的電位 與電場 為什麼?應用圓環坐標,我們可以精緻地分析這例題。
由於托卡馬克 的圓環形狀,圓環坐標時常用在托卡馬克 的核融合 理論研究。
參閱
參考文獻
Arfken G. Mathematical Methods for Physicists 2nd ed. Orlando, FL: Academic Press. 1970: pp. 112–115.
Andrews, Mark. Alternative separation of Laplace’s equation in toroidal coordinates and its application to electrostatics. Journal of Electrostatics. 2006, 64 : 664–672.
參考目錄
Morse PM, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 1953: p. 666.
Korn GA, Korn TM. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. 1961: p. 182.
Margenau H, Murphy GM. The Mathematics of Physics and Chemistry. New York: D. van Nostrand. 1956: pp. 190–192.
Moon PH, Spencer DE. Toroidal Coordinates (η, θ, ψ). Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions 2nd ed., 3rd revised printing. New York: Springer Verlag. 1988: pp. 112–115 (Section IV, E4Ry). ISBN 0-387-02732-7 .