$$ \renewcommand{\vec}[1]{\mathbf{#1}} $$

 

 

 

Teori

Numerisk løsning av Laplace likning

Laplace likning er praktisk fordi vi vanligvis ikke kjenner ladningsfordelingen, mens vi kjenner potensialforskjellene i et system. Ulempen er at det kan være vanskelig å finne analytiske løsninger på Laplace likning for realistiske systemer. Men heldigvis finnes det robust numeriske metoder til å løse Laplace likning.

Numerisk versjon av Laplace likning

Vi kan diskretisere det elektriske potensialet ved å kun beregne i det i noen punkter på et regulært rutenett, \( x_i = i \Delta x \). Vi vet at vi da kan tilnærme den romlig deriverte med $$\frac{\partial V}{\partial x} \simeq \frac{V(x + \Delta x) - V(x)}{\Delta x}$$ og vi kan tilnærme den andre-deriverte med $$\frac{\partial^2 V}{\partial x^2} \simeq \frac{\frac{V(x + \Delta x) - V(x)}{\Delta x}-\frac{V(x) - V(x - \Delta x)}{\Delta x}}{\Delta x} = \frac{V(x-\Delta x)+V(x+\Delta x)-2V(x)}{\Delta x^2}$$ Vi kan bruke dette til å finne en diskret versjon av Laplace likning $$\frac{\partial^2 V}{\partial x^2} =0 \quad \Rightarrow \quad \left( V(x + \Delta x) - V(x) \right) - \left( V(x) - V(x - \Delta x) \right) = 0 $$ Denne kan skrive om til $$V(x) = \frac{1}{2}\left( V(x+\Delta x) + V(x-\Delta x) \right) $$ Det betyr at løsningen skal være slik at hvert enkelt punkt er gjennomsnittet av punktene rundt seg.

Jacobi iterasjoner for løsning av Laplace likning

Men hvordan finner vi en løsning, dvs. et sett med verdier \( V(x_i) \), som tilfredsstiller denne likning og grensebetingelsene? Det gjør vi ved å anvende denne relasjonen: \( V(x,t+1) = (V(x+\Delta x,t) + V(x-\Delta x,t))/2 \) igjen og igjen for hvert enkelt punkt \( x \) til verdiene for all \( V(x_i) \) ikke lenger endrer seg vesentlig.

Men hvor kommer grensebetingelsene inn? Jo, for noen \( x_i \) så er \( V(x_i) \) gitt og endrer seg ikke --- det er for grensebetingelsene.