ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Samankaltaiset tiedostot
ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

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

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

(ks. kuva) ja sen jälkeen x:n ja y:n suhteen yli xy-tasossa olevan alueen projektion G:

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

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

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Potentiaali ja potentiaalienergia

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Elektrodynamiikka, kevät 2008

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

Gaussin lause eli divergenssilause 1

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

= ( F dx F dy F dz).

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitusviikko 5 /

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

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

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: , ma 9-10 ja ke Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko).

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Mat Matematiikan peruskurssi K2

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Sijoitus integraaliin

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SATE.1060 STAATTINEN KENTTÄTEORIA

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

Vektorilaskenta. Luennot / 66. Vektorilaskenta Lineaarikuvauksen vaikutus mittaan Sijoitus integraaliin.

Vektorilaskenta, tentti

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

5 Kentät ja energia (fields and energy)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Dierentiaalilaskennan käsitteistä

DYNAMIIKKA II, LUENTO 2 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

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

F x y z. F voidaan ymmärtää kahden vektorin. Divergenssi. Vektorikentän F( x, y, z ) divergenssi määritellään

MEI Kontinuumimekaniikka

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Luento 3: Käyräviivainen liike

Mat Matematiikan peruskurssi C2

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Matematiikan tukikurssi

4.3.7 Epäoleellinen integraali

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Anna jokaisen kohdan vastaus kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella muodossa

1. a) b) Nollakohdat: 20 = c) a b a b = + ( a b)( a + b) Derivaatan kuvaajan numero. 1 f x x x g x x x x. 3. a)

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Transkriptio:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016) Henrik Wallén / versio 15. syyskuuta 2016

Vektorianalyysi (Ulaby, luku 3) Viiva-, pinta- ja tilavuusalkiot Nablaoperaatiot Gaussin ja Stokesin lauseet Nabla on ystävä 2 (18)

Differentiaaliset pituudet Etäisyyskoordinaattien tapauksessa differentiaalinen pituus on dx, dy, dz, dr, dr. Ympyränkaaren pituus on säde kertaa kulma radiaaneissa: sylinterikoordinaatistossa: r dφ pallokoordinaatistossa: R dθ, R} sin {{ θ} dφ =r Esim: Pallokoordinaatiston tilavuusalkio dv = dr (R dθ) (R sin θ dφ) = R 2 sin θ dr dθ dφ Sylinteripinnan pinta-ala-alkio ( r on pinnan ulkonormaali) ds r = r (r dφ) dz 3 (18)

Viivaintegraaliesimerkki V = E(x, y) dl c b y x dx c V a x ŷ dy Kirjan ja kaavakokoelman mukaan karteesisen koordinaatiston viiva-alkio on dl = x dx + ŷ dy + ẑ dz mutta tästä pitää tavallaan valita sopiva osa: V = a E(x, 0) x dx + 0 b 0 E(a, y) ŷ dy Entä, jos polku ei kulje vakiokordinaattikäyriä pitkin? 4 (18)

Yleisempi integroimispolku (2D) Parametrisoitu käyrä ( x(t), y(t) ) pisteestä A (t = t 1 ) pisteeseen B (t = t 2 ): Otetaan viiva-alkio kaavakokoelmasta B dl ŷ dy x dx A dl = x dx + ŷ dy ja käytetään rohkeasti ketjusääntöä dl = [ x dx ] dt + ŷdy dt dt Polkuintegraalista tulee tällöin c E(x, y) dl = t 2 t 1 E ( x(t), y(t) ) [ x x (t) + ŷ y (t) ] dt 5 (18)

Nablaoperaatiot Nabla ( ) on vektorimuotoinen derivaatta, joka karteesisessa koordinaatistossa voidaan esittää muodossa = x x + ŷ y + ẑ z Tavallisen vektorilaskennan avulla saadaan skalaarifunktiolle V ja vektorifunktiolle A operaattorit: gradientti divergenssi roottori V A A Laplacen operaattori 2 V = ( V ) Muissa koordinaatistoissa kannattaa ehdottomasti käyttää kurssin vektorikaavakokoelmaa. 6 (18)

Gradientti Skalaarifunktion gradientti V (x, y, z) = x x V + ŷ y V + ẑ z V osoittaa funktion suurimman kasvun suuntaan ja suuruus on kasvuvauhti kyseisessä suunnassa. Esim: V = x 2 y 2 V = 2x x 2y ŷ 1 0.5 0 0.5 1 1 0.5 0 0.5 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Gradientti (jatkoa) Gradientin avulla voi laskea yksikkövektori â:n suuntaisen suunnatun derivaatan: â V Ottamalla suunnattu derivaatta käyrää pitkin ja integroimalla pisteestä A pisteeseen B saadaan Tulon derivaatta ja ketjusääntö: B V dl = V B V A A (UV ) = V U + U V [ ( )] f V (x, y, z) = f (V ) V 8 (18)

Divergenssi Vektorifunktion divergenssi A(x, y, z) = x A x + y A y + z A z mittaa vektorikentän muuttumista vektoreiden suunnassa tai vuoviivojen hajaantumista. Vektorikenttä A on lähteetön jos A = 0. A(x, y) = 0 A(x, y) = vakio > 0

Divergenssi (jatkoa) Tällä 2D-vektorikentällä on yksi pistemäinen lähde ja yksi pistemäinen nielu, ja muualla se on lähteetön. (Kuva voisi olla kahden vastakkaismerkkisen viivavarauksen vuoviivat.) 10 (18)

Gaussin lause A dv = V S A ds V = tilavuus S = tilavuuden ulkopinta ds = n ds n = pinnan ulkonormaali Tarkastelemalla häviävän pientä tilavuutta V saadaan myös divergenssille tulkinta/määritelmä. 11 (18)

Esim: Pistevarauksen kenttä Pistevarauksen sähkövuontiheys on D = εe = q 4πR 2 R = D R R Vektorikentän divergenssi paljastaa lähteen.lasketaan divergenssi pallokoordinaatistossa [kaavakokoelma] D = 1 R 2 = 1 R 2 R ) (R 2 D R + R ( ) q = 0 4π 1 R sin θ ( ) D θ sin θ + θ q D 1 R sin θ φ D φ pistevarauksen sähkövuontiheys on lähteetön kaikkialla??, paitsi origossa, missä D on epäjatkuva 12 (18)

Esim: Pistevarauksen kenttä (jatkoa) Tutkitaan tilannetta Gaussin lauseen avulla, integroimalla a-säteisen pallon yli: D dv = V S D ds = = q π 4π 2π 0 π 0 sin θ dθ 0 } {{ } =2 q 4πa R 2 }{{ R } a 2 sin θ dθ dφ =1 2π dφ 0 }{{} =2π = q Tulkinta: D = 0 kaikkialla, paitsi origossa, missä divergenssi on ääretön siten, että tilavuusintegraali antaa pistevarauksen. (Pistevarauksen tilavuusvarausjakauma sisältää siis jonkinlaisen deltafunktion [ylikurssia].) 13 (18)

Roottori Vektorikentän roottori x ŷ ẑ A(x, y, z) = x y z A x A y A z mittaa kentän pyörteisyyden (tai poikittaisen muutoksen) ja osoittaa pyörimisakselin suuntaan. Roottori on vektorikentän maksimikierto C A dl pinta-alaa kohti: [ ] C 1 A = lim n A dl s 0 s n C max 14 (18)

Roottori (jatkoa) A = y x + x ŷ A = 2 ẑ A = x x + y ŷ A = 0 15 (18)

Stokesin lause ( A) ds = S C A dl S = pinta ds = n ds n = pinnan normaali C = pinnan reunakäyrä C Reunakäyrän ja normaalin suunta oikeakätisesti: n Vektorikenttä A on pyörteetön eli konservatiivinen jos A = 0 A dl = 0 C 16 (18)

Laskuesimerkki (taululla) Lasketaan vektorikentälle A = x ( x y ) + ŷ x (a) S ( A) ds (b) C A dl kun pinta S on origokeskeinen puolikiekko säteellä 3 ja reunakäyrä C kulkee kuvassa vastapäivään. Kannattaako tässä käyttää karteesista koordinaatistoa vai sylinterikoordinaatistoa? Joskus jompi kumpi integraali on selvästi helpompi. Stokesin lauseen takia molempia ei yleensä tarvitse laskea... 17 (18)

Toinen derivaatta nablalla Laplacen operaattori Kaksoisroottori ( V ) = 2 V = 2 x 2 V + 2 y 2 V + 2 z 2 V ( A) = ( A) 2 A Nollakaavat ( A) = 0 ( V ) = 0 Lähteetön vektorikenttä (B) voidaan esittää vektoripotentiaalin roottorina ja pyörteetön vektorikenttä (staattinen E) voidaan esittää skalaaripotentiaalin gradientilla. (Mikä tahansa vektorikenttä voidaan jakaa lähteettömään ja pyörteettömään osaan.) 18 (18)