9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Samankaltaiset tiedostot
Kuvan 9.1 mukaisessa ajatuskokeessa varataan kondensaattoria sähkövirralla I. Ampèren lain mukaan

Luku Siirrosvirta

Maxwellin yhtälöt. Luku Siirrosvirta

Liikkuvan varauksen kenttä

Liikkuvan varauksen kenttä

Maxwellin yhtälöt. Luku Siirrosvirta

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Kuvan 9.1 mukaisessa ajatuskokeessa varataan kondensaattoria sähkövirralla I. Ampèren lain mukaan S 1. kondensaattorilevyt

Shrödingerin yhtälön johto

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Kvanttifysiikan perusteet 2017

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Elektrodynamiikka, kevät 2002

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kertausta: Vapausasteet

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Varatun hiukkasen liike

MEI Kontinuumimekaniikka

Potentiaali ja potentiaalienergia

Varatun hiukkasen liike

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Varatun hiukkasen liike

Magneettikenttä väliaineessa

Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus. Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

4. Gaussin laki. (15.4)

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Liikkuvan varauksen kenttä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Gaussin lause eli divergenssilause 1

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Insinöörimatematiikka D

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SATE2180 Kenttäteorian perusteet syksy / 5 Laskuharjoitus 5 / Laplacen yhtälö ja Ampèren laki

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Sähkömagnetismi (ENG2)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Staattinen magneettikenttä

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Staattinen magneettikenttä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Staattinen magneettikenttä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

FyMM IIa Kertausta loppukoetta varten

Sähkömagneettinen induktio

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

VAASAN YLIOPISTO SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA: KAPPALE 1: JOHDANTO KAPPALE 2: AJAN MUKAAN MUUTTUVAT KENTÄT JA MAXWELLIN YHTÄLÖT

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Säteilevät systeemit. Luku 15. z L/2 y L/2

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Elektrodynamiikka ja suhteellisuusteoria

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Transkriptio:

9 Maxwellin yhtälöt 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet 9.5.1 Aaltoyhtälö tyhjössä 9.5.2 Potentiaaliesitys 9.5.3 Viivästyneet potentiaalit 9.5.4 Aaltoyhtälön Greenin funktio 9.6 Mittainvarianssi Typeset by FoilTEX 1

9.5.1 Aaltoyhtälö tyhjössä Siirrosvirtatermi ( D t ) sähkömagneettinen aaltoliike. Tarkastellaan tyhjiötä (ρ = 0, J = 0). (Ampèren ja Maxwellin laki) B = ɛ 0 µ 0 ( E) t = ɛ 0 µ 0 2 B t 2 (1) Koska B = 0 saadaan aaltoyhtälö: 2 B ɛ 0 µ 0 2 B t 2 = 0 (2) Typeset by FoilTEX 2

Samoin sähkökentälle: (Faradayn laki) ja tyhjiössä E = 0 (valon) nopeudella c = 1/ ɛ 0 µ 0 etenevä aalto 2 E ɛ 0 µ 0 2 E t 2 = 0 (3) Typeset by FoilTEX 3

9.5.2 Potentiaaliesitys Tutkitaan Maxwellin yhtälön ratkaisemista. Ol. (1) tunnetaan ρ ja J ja (2) väliaine ɛ 0, µ 0. Käytetään skalaari- ja vektoripotentiaaleja φ ja A. Sijoittamalla tämä Faradayn lakiin (M2 ) B = 0 B = A E + t A = 0 (4) joten ( E + A ) t = 0 (5) Typeset by FoilTEX 4

eli E = ϕ A t Huom. Faradayn laki tuonut vektoripotentiaalin aikamuutoksesta johtuvan osuuden sähkökenttään. Saavutuksia: (E, B) kenttien kuusi komponenttia ilmaistu neljän muuttujan (ϕ, A) avulla. Tarvittiin neljä Maxwellin yhtälöiden kahdeksasta skalaarikomponentista jäljellä neljä yhtälöä neljän tuntemattoman ratkaisemiseen. Coulombin ja Ampèren ja Maxwellin lait muuttujilla (ϕ, A): 2 ϕ + 2 A 1 c 2 2 A t 2 ( A) t (6) = ρ/ɛ 0 (7) ( A + 1 ) ϕ c 2 t = µ 0 J (8) Typeset by FoilTEX 5

Käteviä ratkaisumenetelmiä sopivalla mitan valinnalla: kentät B ja E ovat potentiaalien derivaattoja potentiaaleihin voidaan lisätä sellaisia tekijöitä, jotka katoavat derivoitaessa. Mittamuunnos A A = A + Ψ (9) ϕ ϕ = ϕ Ψ/ t (10) ei vaikuta kenttiin. Typeset by FoilTEX 6

Yksi kelvollinen mitta: Lorenzin mittaehto 1 A + 1 c 2 ϕ t = 0 (11) Tällöin yhtälöt yksinkertaistuvat epähomogeenisiksi aaltoyhtälöiksi ( 2 1c 2 ) 2 t 2 ϕ = ρ/ɛ 0 (12) ( 2 1c 2 ) 2 t 2 A = µ 0 J (13) 1 Kyseessä on todellakin Lorenzin mitta eikä Lorentzin mitta. Lorenz oli tanskalainen ja Lorentz hollantilainen fyysikko. Typeset by FoilTEX 7

9.5.3 Viivästyneet potentiaalit Saatiin neljä karteesisissa koordinaateissa toisistaan riippumatonta samanmuotoista skalaariyhtälöä, joten riittää tarkastella yhtälöä ϕ:lle: ( 2 1c 2 2 ) t 2 ϕ = ρ/ɛ 0 (14) Jos staattinen tilanne Poissonin yhtälö: ratkaisu LY yl. PY erikoisratkaisu. ratkaisut sekä jokin Ratkaistaan aaltoyhtälö yhdelle varaukselle, joka on sijoitettu origoon ( 2 1c 2 2 ) t 2 ϕ = 0; r 0 (15) Typeset by FoilTEX 8

Pallosymmetria: ϕ = ϕ(r) ja 2 (rϕ) r 2 1 c 2 2 (rϕ) t 2 = 0 (16) tutut ±r-suuntiin etenevät ratkaisut: rϕ = f(r ct) + g(r + ct) (17) f(r ct) etenee poispäin varauksesta ja g(r + ct) kohti varausta. homogeeniselle aaltoyhtälölle pallosymmetrinen ratkaisu Löydetty ϕ = f(r ct) r (18) Tutkitaan varauksen vaikutusta ympäristöönsä: mikä on f? Typeset by FoilTEX 9

Verrataan saatua ratkaisua staattisen tilanteen potentiaaliin: ϕ = f(r ct) r ϕ = q 4πɛ 0 r (19) Eli nyt q = q(t). Kirjoitetaan f(r) f(t r/c). Hetkellä t r/c pätee f(t r/c) = q(t r/c) 4πɛ 0 (20) joten ϕ(r, t) = q(t r/c) 4πɛ 0 r (21) Typeset by FoilTEX 10

Integroidaan kaikkien varausten yli viivästynyt skalaaripotentiaali ϕ: ϕ(r, t) = 1 4πɛ 0 V ρ(r, t ) r r dv = 1 4πɛ 0 V ρ(r, t r r /c) r r dv (22) missä viivästynyt aika t = t r r /c (23) Huom. viivästynyt skalaaripotentiaali huomioi ajan, joka kuluu kustakin pisteestä tarkastelupisteeseen nopeudella c etenevältä signaalilta. Samoin (ϕ A i ) viivästynyt vektoripotentiaali A(r, t) = µ 0 4π V J(r, t ) r r dv = µ 0 4π V J(r, t r r /c) r r dv (24) Lopuksi sähkö- ja magneettikentät saadaan derivoimalla. Typeset by FoilTEX 11

= ongelma on ratkaistu (!): Tunnetut ρ, J integrointi ϕ, A derivointi E = ϕ A t ja B = A Käytännössä derivaattojen laskeminen on kuitenkin työlästä. Typeset by FoilTEX 12

[Valmistelua kurssin loppuosuuteen] Suppeammassa suhteellisuusteoriassa nelivektoreita esim. ja niiden avulla aaltoyhtälö: nelipotentiaali: A α = (ϕ/c, A) nelivirta j α : j α = (c ρ, J). ( 2 1c 2 2 ) t 2 A α = j α (25) Huom. Maxwellin yhtälöt ovat Lorentz-kovariantteja 2 eli valmiiksi kelvollisia suhteellisuusteorian pätevyysalueelle. 2 Mitta on Lorenzin, mutta kovarianssi Lorentzin. Typeset by FoilTEX 13

9.5.4 Aaltoyhtälön Greenin funktio Ratkaistaan aaltoyhtälö Greenin funktiolla. A:n ja ϕ:n aaltoyhtälöt: 2 ψ 1 2 ψ c 2 = 4πf(r, t) (26) t2 missä f(r, t) = tunnettu lähdetermi. ψ:lle ja f :lle Fourier-muunnos: ψ(r, t) = 1 2π ψ(r, ω)e iωt dω ; f(r, t) = 1 2π f(r, ω)e iωt dω (27) Sijoitetaan aaltoyhtälöön ja merkitään k = ω/c epähomogeeninen Helmholtzin aaltoyhtälö ( 2 + k 2 ) ψ(r, ω) = 4πf(r, ω) (28) Typeset by FoilTEX 14

Tarkastellaan rajatilannetta k = 0 Poissonin yhtälö Greenin funktion toteutettava ( 2 + k 2 )G k (r; r ) = 4π δ(r r ) (29) Epähomogeenisen aaltoyhtälön ratkaisu on silloin ψ(r, ω) = G k (r, r, ω)f(r, ω) dv (30) ψ(r, t) = 1 2π ψ(r, ω)e iωt dω (31) + homog. yht. ratkaisuja. Huom. Greenin funktion muoto riippuu ongelman reunaehdoista (vrt. pallo). Tarkastellaan reunatonta avaruutta G k on pallosymmetrinen ja riippuu ainoas- Typeset by FoilTEX 15

taan etäisyydestä R = r r pallokoordinaateissa 2 G k = 1 R 2 R Koska R on ainoa muuttuja ( R 2 G ) k R = 1 R 2 R 2(R G k) (32) 1 d 2 RdR 2(R G k) + k 2 G k = 4πδ(r r ) (33) Alueessa R > 0: ratkaisut ovat d 2 dr 2(R G k) + k 2 (R G k ) = 0 (34) R G k = A e ikr + B e ikr (35) Rajalla R 0 on kr 1 ja yhtälö (33) Poissonin yhtälö, jonka ratkaisu Typeset by FoilTEX 16

käyttäytyy kuten G k 1/R ehto A + B = 1 ja G k (R) = A G + k (R) + B G k (R) (36) missä G ± k = e±ikr /R s.e. G + k = eikr /R : poispäin etenevä palloaalto, G k = e ikr /R : origoon tuleva palloaalto. A ja B määräytyvät reunaehdoista ajassa. Esim. A G + k lähde on hiljaa t < 0 asti ja käynnistyy ulospäin etenevä ratkaisu on fysikaalisesti mielekäs. Typeset by FoilTEX 17

Ajasta riippuva Greenin funktio toteuttaa yhtälön ( 2 1c 2 ) 2 t 2 G ± (r, t; r, t ) = 4πδ(r r )δ(t t ) (37) Koska δ(t t ) = 1 2π dω e iwt e iwt (38) on lähdetermi yhtälössä (29) f(r, ω) = 4πδ(r r )e iωt ja G ± (R, τ) = 1 2π e ±ikr R e iωτ dω (39) Typeset by FoilTEX 18

missä τ = t t. Koska k = ω/c saadaan G ± (r, t; r, t ) = 1 r r δ(t [t r r /c]) (40) missä G + on (tuttu) viivästynyt ja G edistynyt Greenin funktio. Lopulta: epähomogeenisen aaltoyhtälön ratkaisu on ψ ± (r, t) = G ± (r, t; r, t )f(r, t ) dv dt (41) + homog. yhtälön ratkaisuja. Typeset by FoilTEX 19

9.6 Mittainvarianssi Kenttien potentiaaleja voidaan muuttaa s.e. että kentät itse eivät muuttu: A A = A + Ψ (42) ϕ ϕ = ϕ Ψ/ t (43) Mittafunktio Ψ voidaan valita usealla eri tavalla ja se vaikuttaa ratkaistavan yhtälöryhmän muotoon. 2 A 1 c 2 2 A t 2 2 ( A) ϕ + ( t = ρ/ɛ 0 (44) ) = µ 0 J (45) A + 1 c 2 ϕ t Typeset by FoilTEX 20

(1) Lorenzin mitta A + 1 ϕ c 2 t = 0 (46) johtaa epähomogeenisiin aaltoyhtälöihin: ( 2 1c 2 ) 2 t 2 ϕ = ρ/ɛ 0 (47) ( 2 1c 2 ) 2 t 2 A = µ 0 J (48) Tällöin mittafunktion Ψ on toteutettava aaltoyhtälö 2 Ψ 1 c 2 2 Ψ t 2 = A 1 c 2 ϕ t (49) yhtälöiden Lorentz-kovarianssi näkyy eksplisiittisesti Typeset by FoilTEX 21

(2) Coulombin mitta: A = 0 (50) Koska saadaan mittafunktiolle ehto A = A + Ψ (51) 2 Ψ = A (52) Coulombin mitassa 2 ϕ = ρ/ɛ 0 (53) joten ϕ(r, t) = 1 4πɛ 0 V ρ(r, t) r r dv (54) Typeset by FoilTEX 22

aika ei ole viivästetty Coulombin mitta ei ole Lorentz-kovariantti Mitta on silti kelvollinen Maxwellin yhtälöille, joten E ja B kentät tulee oikein Coulombin mitassa vektoripotentiaalille pätee 2 A 1 c 2 2 A t 2 = 1 c 2 ϕ t µ 0J (55) Sievennetään. Oikean puolen ensimmäinen termi on pyörteetön. Helmholtzin teoreema: F = F l + F t ; F l = 0 ; F t = 0 Typeset by FoilTEX 23

Käytetään virran jatkuvuusyhtälöä niin saadaan (kts. s. 25) Coulombin mitta = poikittaismitta = säteilymitta ja 2 A 1 c 2 2 A t 2 = µ 0J t (56) A(r, t) = µ 0 4π Jt (r, t r r /c) r r dv (57) Yksi ominaisuus lisää: Coulombin mitta erottelee annetussa koordinaatistossa sähkökentän staattiseen (s) ja induktiiviseen (i) osaan: E s = ϕ ; E i = A/ t (58) Typeset by FoilTEX 24

Katsotaan lopuksi miten pitkittäinen virta J l hävisi yhtälöstä (56). Käyttäen yhtälöitä ( J) = ( J) 2 J ja 2 (1/ r r ) = 4 π δ( r r ) voimme kirjoittaa (kts. esim. Arfken): J l = 1 J 4 π r r dv Tämä tulee jatkuvuusyhtälön ja Coulombin mitan avulla muotoon J l = 1 ρ 4 π / t r r dv = { 1 4 π ρ r r dv }/ t = ɛ 0 ϕ t = ɛ 0 µ 0 ϕ t µ 0J = µ 0 J t Typeset by FoilTEX 25