Unicidad de la ecuación de Poisson en presencia de carga ligada desconocida

Estoy familiarizado con las pruebas de unicidad ordenadas habituales para las soluciones de la ecuación de Poisson,

2 ϕ = ρ / ϵ
que muestran que si tenemos dos soluciones ϕ , ϕ , entonces
Γ d V ( ϕ ϕ ) ( ϕ ϕ ) = Γ ( ϕ ϕ ) ( ϕ ϕ ) d A Γ d V ( ϕ ϕ ) 2 ( ϕ ϕ )
Asumiré en todo momento que estoy considerando un volumen agradable y simple. Γ , y que he especificado condiciones de contorno en el contorno Γ . La magia es que para las condiciones de contorno apropiadas, como von Neumman y Dirichlet o una mezcla de los dos en diferentes partes de Γ , la integral de superficie del lado derecho se anula. Además, 2 ( ϕ ϕ ) se desvanece en todas partes, por lo que la integral de volumen de la derecha se desvanece, dejando

Γ d V ( ϕ ϕ ) ( ϕ ϕ ) = 0
lo que implica que ( ϕ ϕ ) es cero en el volumen, entonces ϕ ϕ es constante Todo está bien.


mi problema es que ρ a menudo no se especifica completamente! Por ejemplo, si tenemos un límite entre dos medios dieléctricos dentro de Γ , espero que el límite tenga carga ligada de la respuesta material. Eso es, ρ = ρ F r mi mi , s pag mi C i F i mi d + ρ b o tu norte d , tu norte s pag mi C i F i mi d . Para materiales simples, el problema gana condiciones de contorno adicionales en lugar de especificar ρ b o tu norte d , tu norte s pag mi C i F i mi d al inicio.

Es decir, uno espera

2 ϕ = ρ F r mi mi , s pag mi C i F i mi d / ϵ
lejos del límite entre los materiales simples, junto con la condición de límite adicional perpendicular al límite
ϵ a ψ norte | a = ϵ b ψ norte | b
en el límite entre los materiales simples. Este último límite no es parte de Γ , y esta condición de contorno tiene un sabor diferente al de Dirichlet o von Neumann, ya que es simplemente una ecuación de consistencia y no una especificación.

¿Cómo demuestro la unicidad (dados los tipos usuales de Dirichlet, von Neumann bc en Γ ) para tal problema, donde las condiciones de contorno adicionales dentro Γ suplantar completamente especificando ρ en Γ ? Mi lucha es que no veo eso ϕ ϕ satisfaría la ecuación de Laplace, ya que a priori la carga ligada podría ser diferente para las dos soluciones.

Respuestas (1)

Aquí hay una variante simple de la prueba en el OP que se me ocurrió después de publicar la recompensa. Una vez más estoy considerando dos soluciones. ϕ y ϕ , con D = ϵ mi = ϵ ϕ .

El teorema de la divergencia y un poco de reordenamiento nos da como resultado Γ d V ( ϕ ϕ ) ( D D ) = Γ ( ϕ ϕ ) ( D D ) d A Γ d V ( ϕ ϕ ) ( D D )

Entonces, una vez más, para las condiciones de contorno de Dirichlet, ϕ ϕ es cero en la frontera, mientras que para las condiciones de frontera de von Neumann, D D es cero en el límite (ya que es proporcional a 0 ). Por lo tanto, para estas condiciones de contorno o una mezcla apropiada, el término de contorno desaparece.

Además, D = D = ρ F r mi mi , s pag mi C i F i mi d , por lo que el segundo término del lado derecho también desaparece. De este modo,

Γ d V ( ϕ ϕ ) ( D D ) = 0
lo que significa
Γ d V ϵ | ( ϕ ϕ ) | 2 = 0

Si ϵ no cambia de signo, entonces ( ϕ ϕ ) = 0 , demostrando la unicidad del campo eléctrico.