Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Podobne dokumenty
Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Elektrodynamika. Część 9. Potencjały i pola źródeł zmiennych w czasie. Ryszard Tanaś

Promieniowanie dipolowe

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

Fale elektromagnetyczne

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Pole elektromagnetyczne

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Obliczanie indukcyjności cewek

Wykład 2 - zagadnienie dwóch ciał (od praw Keplera do prawa powszechnego ciążenia i z powrotem..)

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Elektrodynamika #

Efekt naskórkowy (skin effect)

Układy współrzędnych

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Kinematyka płynów - zadania

Symetrie i prawa zachowania Wykład 6

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Elektrostatyka, cz. 1

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

[ A i ' ]=[ D ][ A i ] (2.3)

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Potencjał pola elektrycznego

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Arkusz 6. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Wyznaczanie parametrów linii długiej za pomocą metody elementów skończonych

Elektrodynamika Część 3 Pola elektryczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Analiza wektorowa. Teoria pola.

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Geometria analityczna - przykłady

Pojęcie ładunku elektrycznego

Teoria pola elektromagnetycznego

Temat XXXIII. Szczególna Teoria Względności

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Definicje i przykłady

Elektrodynamika Część 5 Pola magnetyczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

Zagadnienie dwóch ciał

Podstawy robotyki. Wykład II. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Politechnika Wrocławska

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Dwa przykłady z mechaniki

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Aerodynamika I. wykład 3: Ściśliwy opływ profilu. POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa A E R O D Y N A M I K A I

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Fale elektromagnetyczne

KINEMATYKA czyli opis ruchu. Marian Talar

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

R o z d z i a ł 2 KINEMATYKA PUNKTU MATERIALNEGO

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

Rozdział 2. Krzywe stożkowe. 2.1 Elipsa. Krzywe stożkowe są zadane ogólnym równaniem kwadratowym na płaszczyźnie

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

1. Podstawy matematyki

2. Charakterystyki geometryczne przekroju

Całka podwójna po prostokącie

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Transkrypt:

Równania dla potencjałów zależnych od czasu Potencjały wektorowy A( r, t i skalarny ϕ( r, t dla zależnych od czasu pola elektrycznego E( r, t i magnetycznego B( r, t definiujemy poprzez następujące zależności B = A, E = ϕ A Prawo Faraday a jest wówczas spełnione tożsamościowo (1 E = ϕ A = B = A (2 ponieważ pochodna po czasie jest przemienna z pochodnymi po x, y, z wystepującymi w rotacji oraz dlatego, że = 0. Prawo Ampera prowadzi do dość skomplikowanego równania na potencjały: B = A = ( A A = (3 E = µ 0 j + µ 0 ɛ 0 = µ 0 j µ 0 ɛ 0 ϕ + 2 A 2 Uporządkowując wyrazy możemy równanie (3 zapisać w postaci A µ 0 ɛ 0 2 A 2 ( = µ ϕ 0 j + A + µ 0 ɛ 0 Gdyby udało się nam wyzerować wyrażenie w nawiasach po prawej stronie, to równanie przyjęło by postać niejednorodnego równania falowego. Można zauważyć, że potencjały A i ϕ można poddać przekształceniu cechowania A = A + λ, ϕ = ϕ λ (5 gdzie λ = λ( r, t jest dowolną funkcją. Fizycznie obserwowalne wektory pola elektromagnetycznego E i B, obliczone za pomocą wzorów (1 nie zmieniają się pod wpływem przekształceń cechowania. E = ϕ A = ϕ + λ A + λ = E (6 B = A = A + λ = B (4 1

Swobodę wyboru potencjałów A i ϕ można wykorzystać do uproszczenia formy równania (4. Poszukajmy takiej funkcji cechowania λ( r, t, aby wyrażenie w nawiasach po prawej stronie równania (4 dla przekształconych potencjałów A i ϕ zerowało się. Stąd A + µ 0 ɛ 0 ϕ = 0 (7 A + µ 0 ɛ 0 ϕ + λ µ 0 ɛ 0 2 λ 2 = 0 (8 Funkcja cechowania λ musi więc spełniać niejednorodne równanie falowe: λ µ 0 ɛ 0 2 λ 2 = A µ 0 ɛ 0 ϕ = f ( r, t (9 z zadaną prawą stroną (członem niejednorodnym f ( r, t. W podręcznikach z metod matematycznych fizyki pokazuje się, że dla niejednorodnego równania falowego z zadaną funkcją f ( r, t zawsze istnieje rozwiązanie ogólne w postaci całki. Dla nas ważne jest tylko, że istnieje możliwość rozwiązania równania (9. Przy odpowiednim wyborze funkcji cechowania λ( r, t można więc uprościć formę równania (4. Zakładamy warunek cechowania Lorentza A + µ 0 ɛ 0 ϕ = 0 (10 Dla pól niezależnych od czasu równianie (10 sprowadza się do warunku cechowania Coulomba A = 0 z magnetostatyki. Przy założeniu cechowania Lorentza potencjał wektorowy spełnia niejednorodne równanie falowe A µ 0 ɛ 0 2 A 2 = µ 0 j (11 Członem niejednorodnym (źródłem pola jest zadana gęstość przepływu prądu j ( r, t. Jeśli wyrażamy pole magnetyczne przez potencjał wektorowy, to prawo Gaussa B = 0 jest spełnione tożsamościowo: B = 0. Prawo Gaussa dla pola elektrycznego, przy wykorzystaniu równań (1 daje ρ = E = ϕ + A ɛ 0 (12 2

Poprzez warunek cechowania Lorentza (10, dywergencję potencjału wektorowego możemy wyrazić przez pochodną po czasie potencjału skalarnego. Otrzymamy wówczas następujące równanie ϕ µ 0 ɛ 0 2 ϕ 2 = ρ ɛ 0 (13 Przy założeniu cechowania Lorentza potencjał skalarny ϕ spełnia więc także niejednorodne równanie falowe. Członem niejednorodnym (źródłem pola jest zadana gęstość ładunku ρ( r, t. Dla pól niezależnych od czasu niejednorodne równania falowe (11 i (13, w których opuszczamy pochodne po czasie, redukują się do równań Poissona, znanych z elektrostatyki i magnetostatyki. Ogólne rozwiązanie niejednorodnego równania falowego Ogólne rozwiązanie niejednorodnego równania falowego (13 przypomina swoją formą ogólne rozwiązanie równania Poissona ϕ( r, t = 1 ρ( r, t r d (14 4πɛ 0 R gdzie R = r r, a całkowanie odbywa się po całej objętości, w której znajduje się ładunek elektryczny. Wektor r wskazuje na ustalony punkt obserwacji, wktórym określamy wartość potencjału, wektor r wskazuje na objętość d. Gęstość ładunku bierzemy we wcześniejszej chwili czasu t r (r=retarded, tak aby w czasie t t r od źródła pola do punktu obserwacji dotarł sygnał biegnący z prędkością c. t t r = R c (15 Potencjał zadany wzorem (14 nazywamy potencjałem opóźnionym. Aby sprawdzić, czy powyższa całka jest rzeczywiście rozwiązaniem równania (13 obliczmy ϕ, gdzie różniczkowanie dotyczy składowych wektora r. Przy całkowaniu po wektor r pełni rolę stałej, więc możemy zamienić kolejność różniczkowania i całkowania. ϕ = 1 4πɛ 0 3 ( ρ d (16 R

Rysunek 1: Jeśli chodzi o gęstość ładunku ρ( r, t t, to różniczkowanie dotyczy drugiego argumentu t r = t R/c zależnego w sposób uwikłany od położenia punktu obserwacji r. Laplasjan pod całką obliczamy w następujący sposób: ρ ( 1 R = R ρ = (ρ 1R + 1R ρ = ρ 1 R + 1 R ρ + 2 ρ 1 R (17 Obliczamy poszczególne wyrażenia w powyższym wzorze: 1 R = 4πδ( R (18 gdzie δ( R oznacza deltę Diraca, przy całkowaniu zamieniającą r na r. ρ = ρ t r = ρ 1 ρ 1 R = r r c r c e R (19 Dalej obliczamy iloczyn skalarny gradientów w równaniu (17: 2 ρ 1 ( ρ 1 = 2 R r c e R e R = 2 ρ (20 R 2 R 2 c r Z kolei gdzie ρ = ρ = ρ r 1 c e R 1 c ρ r e R (21 ρ = 2 ρ 1 r r 2 c R = 2 ρ 1 r 2 c e R (22 4

Tak więc ( ( 1 e R = R R 1 = R + 1 R R R R = R + 3 R 3 R = 2 R (23 1 R ρ = 1 2 ρ 2 ρ (24 Rc 2 r 2 R 2 c r Sumując wyrażenia (18, (24 i (20 otrzymujemy ρ R = 4ρ πδ( R 1 2 ρ Rc 2 r 2 Laplasjan potencjału skalarnego wynosi więc ϕ = 1 4πɛ 0 ρ R d = 1 ɛ 0 ρ δ( R d µ 0 4π (25 1 2 ρ d (26 R r 2 W pierwszej z całek po prawej stronie delta Diraca oznacza zamianę r na r, a co za tym idzie R na zero. ρ( r, t r δ( r r d = ρ( r, t (27 Przy obliczniu drugiej pochodnej po czasie opóźnionego potencjału skalarnego danego równaniem (14 możemy wejść z różniczkowaniem pod znak całki. 2 ϕ µ 0 ɛ 0 = µ 0 2 4π 1 2 ρ R d = µ 0 2 4π 1 2 ρ d (28 R r 2 ponieważ t = t r R/c, więc pochodne gęstości ładunku po t i po t r są sobie równe. Jak widać potencjał opóźniony dany równaniem (14 rzeczywiście jest rozwiązaniem niejednorodnego równania falowego (13. W taki sam sposób można sprawdzić analogiczne ogólne rozwiązanie niejednorodnego równania falowego (11 dla potencjału wektorowego, w postaci całki z gęstości prądu j ( r, t r. A( r, t = µ 0 4π j ( r, t r R d (29 5

Pole elektromagnetyczne ładunku punktowego poruszającego się ze stałą prędkością Pole elektromagnetyczne wokół poruszającego się ładunku punktowego zadane jest poprzez potencjały Liénarda-Wiecherta. gdzie ϕ = 4πɛ 0 r, A = v c 2 ϕ (30 r = R R v c (31 Wektor R prowadzi od punktu w którym znajduje się ładunek do punktu obserwacji, w którym określone są potencjały. Aby obliczyć potencjały w chwili czasu t we wzorach (30 należy wziąć położenie ładunku i jego prędkość we wcześniejszej chwili czasu t r t r = t R c (32 Różnica czasu t t r potrzebna jest na przejście sygnału od źródła pola (ładunku do punktu obserwacji z prędkością światła. Występowanie w potencjałach Liénarda- Wiecherta czasu t r znacznie utrudnia wyciągnięcie fizycznych wniosków co do charakteru pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez ładunek punktowy. Dla ładunku poruszającego się ze stałą prędkością v = const można pokusić się o usunięcie t r z równań i wyrażenie potencjałów poprzez położenie ładunku w chwili czasu t jednoczesnej z chwilą ich obserwacji. Założmy, że ładunek punktowy porusza się ze stałą prędkością v wzdłuż osi z kartezjańskiego układu współrzędnych. Zadanie ma symetrię cylindryczną, więc punkt obserwacji możemy umieścić w punkcie (x 0, z 0 na płaszczyźnie xz. Przez R oznaczmy odległość między punktem obserwacji i położeniem ładunku w chwili czasu t r, przez ρ odległość między punktem obserwacji i położeniem ładunku w chwili czasu t (patrz rys. 2. Droga jaką przebędzie ładunek w przeciągu czasu t t r wynosi z = v(t t r = R v c (33 Obliczamy wielkość r występującą we wzorze (31. 6

Rysunek 2: r = R R v c = R Rv cos θ (34 c r 2 = R 2 + R2 v 2 cos 2 θ 2 R2 v c 2 c cos θ Korzystając z twierdzenia cosinusów w trójkącie R, ρ, z ρ 2 = R 2 + R 2 v2 c v 2 2R2 cos θ (35 c możemy w równaniu na r 2 usunąć wyraz mieszany zawierający cos θ i otrzymać następujące wyrażenie r 2 = ρ 2 v2 c 2 R2 sin 2 θ (36 Kąt θ można wyrazic przez kąt α korzystając z kolei z twierdzenia sinusów stąd ρ sin α = R sin θ ( r 2 = ρ 2 1 v2 c 2 sin2 α 7 (37 (38

Potencjał skalarny wytwarzany przez ładunek punktowy wynosi więc ϕ = 4πɛ 0 ρ 1 1 v2 sin 2 α c 2 (39 gdzie ρ jest odległością od ładunku do punktu obserwacji mierzoną w tej samej chwili czasu t. Kąt α jest kątem pod jakim widać tor ładunku z punktu obserwacji. Pozostało nam teraz uzależnić potencjał skalarny od współrzędnych kartezjańskich (x 0, z 0 punktu obserwacji. Jak wynika z rysunku 2 Stąd ρ cos α = z 0 vt, ρ sin α = x 0, ρ 2 = (z 0 vt 2 + x 2 0 (40 r 2 = (z 0 vt 2 + x 2 0 (1 v2 c 2 (41 Równanie linii ekwipotencjalnych ϕ = const, czyli r 2 = const ma więc postać (z 0 vt 2 + x 2 0 (1 v2 = const (42 Jest to równanie elipsy o środku w punkcie (z = vt, x = 0 równym położeniu ładunku w chwili t spłaszczonej wzdłuż osi z, czyli w kierunku ruchu ładunku. Obraz linii ekwipotencjalnych wokół ładunku punktowego poruszającego się ze stałą prędkością przypomina więc działanie tak zwanego skrócenia Lorentza w szczególnej teorii względności. Linie ekwipotencjalne wokół ładunku noszą nazwę elipsy Heavside a. Był to angielski inżynier elektryk, który pierwszy domyślił się, że tak powinno wygląć pole elektryczne poruszającego się ładunku 1 Potencjał wektorowy zgodnie ze wzorem (30 wynosi c 2 A z = v c 2 ϕ = v c 2 1 4πɛ 0 r (43 Pole elektryczne wytwarzane przez ładunek punktowy możemy obliczyć ze wzoru E = ϕ A (44 1 Oliver Heaviside (1889, On the Electromagnetic Effects due to the Motion of Electrification through a Dielectric, Philosophical Magazine, 5 27 (167: 324-339. 8

Ponieważ zadanie ma symetrię cylindryczną wystarczy obliczyć składowe E x i E z. Pochodne obliczamy względem współrzędnych punktu obserwacji (x 0, z 0. Stąd E z = 4πɛ 0 E x = ϕ x 0, E z = ϕ A z z 0 = ϕ v ϕ z 0 c 2 (45 E x = ( 1 r = (46 4πɛ 0 x 0 r 4πɛ 0 r 2 x 0 ( 1 v ( ( 1 r == + v r z 0 r c 2 4πɛ 0 r 4πɛ 0 r 2 z 0 c 2 Pochodne cząstkowe r zgodnie ze wzorem (41 wynoszą r = x 0 (1 v2 r, = z 0 vt r, = v z 0 vt (47 x 0 r c 2 z 0 r r Składowe pola elektrycznego ładunku wynoszą więc E x = 4πɛ 0 r x 3 0 (1 v2, E c 2 z = 4πɛ 0 r (z 3 0 vt (1 v2 c 2 (48 Można zauważyć, że wektor pola elektrycznego E = [E x, E z ] E = (1 v2 [x 4πɛ 0 r 3 c 2 0, z 0 vt] (49 jest proporcjonalny do wektora [x 0, z 0 vt] łączącego położenie ładunku w chwili t i położenie punktu obserwacji. Pole elektryczne ładunku poruszającego się ze stałą prędkością jest więc radialne. Linie sił pola elektrycznego nie są prostopadłe do linii ekwipotencjalnych. Obraz pola elektrycznego poruszającego się ładunku przypomina pole kulombowskie poddane działaniu skrócenia Lorentza. Obliczając rotację potencjału wektorowego (43 otrzymamy pole magnetyczne ładunku punktowego. Ponieważ zadanie ma symetrię cylindryczną wskazane jest wykonanie rotacji w układzie cylindrycznym. B φ = A z (50 r gdzie r = x 0 jest odległością punktu obserwacji od osi z. Na podstawie wzoru (45 otrzymujemy 9

Rysunek 3: B φ = v c 2 Powyższe równanie można zapisać w formie wektorowej ϕ x 0 = v c 2 E x (51 B = 1 c 2 v E (52 Linie sił pola magnetycznego wirują wokół osi z po której porusza się ładunek punktowy. Przypomina to pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Wzory (49 i (52 można także otrzymać wykonując transformację Lorentza dla pola elektromagnetycznego, przy przejściu do układu odniesienia poruszającego się z prędkością v względem nieruchomego ładunku punktowego. 10