Wykład 1

18.II.2002

wersja na dzień 25 lutego 2002 roku

1.1 Uwagi wstępne

Równania Maxwella były wprowadzone już w kursie fizyki ogólnej. W próżni mamy:

div ~

E = 4 πρ

(1.1a)

1 ∂ ~

E

4 π

rot ~

B −

=

~

(1.1b)

c ∂t

c

1 ∂ ~

B

rot ~

E +

= 0

(1.1c)

c ∂t

div ~

B = 0

(1.1d)

Równania w tej postaci odpowiadają układowi jednostek Gaussa. Jest on dogodniejszy ( przynajmniej dla mnie) do stosowania przy zagadnień teore-tycznych. W „legalnym” układzie SI odpowiednie równania mają postać: 1

div ~

E =

ρ

0

∂ ~

E

rot ~

B − µ 0 0

= µ

∂t

0 ~



∂ ~

B

rot ~

E +

= 0

∂t

div ~

B = 0

1

WYKŁAD 1.

18.II.2002

2

Jak widać formalne przejście od równań w układzie jednostek SI do równań (1.1) w systemie Gaussa realizuje się przez podstawienie

1

4 π

0 →

;

µ

4 π

0 →

c

I tak prawo Coulomba zapisywane jest w obu układach jako:

~

1

q

F =

1 q 2

( ~r

4 π

1 − ~

r 2)

(układ SI)

0 |~

r 1 − ~r 2 | 3

~

q

F =

1 q 2

( ~r

|~r

1 − ~

r 2)

(układ Gaussa)

1 − ~

r 2 | 3

Poza próżnią, w ciele stałym, odpowiednie równania mają postać: div ~

D = 4 πρ 









1 ∂ ~

D

4 π 





rot ~

H −

=

~ 



c ∂t

c





równania materiałowe

1 ∂ ~

B



rot ~

E +

= 0







c ∂t











div ~

B = 0





Są to równania materiałowe ponieważ wprowadzone są tu nowe pola: pole indukcji elektrycznej ~

D oraz pole magnetyczne ~

H. Pola te zależą od własności

ośrodka i w ogólności są skomplikowanym funkcjonałem od pól „podstawo-wych” ~

E i ~

B:

~

D = D( ~r, t; ~

E, ~

B) ;

~

H = ~

H( ~r, t; ~

E, ~

B)

Jedynie w najprostszym przypadku jednorodnego i izotropowego ośrodka ist-nieją relacje wyrażające prosto ~

D i ~

H przy pomocy stałej dielektrycznej i

przenikalności magnetycznej µ:

~

1

D( ~r, t) = ~

E( ~r, t) ;

~

H( ~r, t) =

~

B( ~r, t)

µ

Dla wewnętrznej spójności równań Maxwella konieczna jest zasada zachowa-nia ładunku. Weźmy jako przykład równania (1.1). Różniczkując po czasie równania (1.1a), biorąc dywergencję równania (1.1b), wykorzystując tożsa-mość div rot ~a ≡ 0 i dodając oba równania stronami otrzymuje się równanie ciągłości :

∂ρ + div ~ = 0

(1.2)

∂t

WYKŁAD 1.

18.II.2002

3

Istotną cechą równań elektrodynamiki jest ich liniowość. Dzięki temu pole pochodzące od różnych źródeł jest superpozycją pól pochodzących od po-szczególnych źródeł.

Wprowadzone pola elektromagnetyczne ~

E, ~

B mają bezpośrednią inter-

pretację fizyczną w momencie gdy podany jest sposób ich pomiaru (detekcji, rejestracji). Oba pola działają poprzez siłę jaką wywierają na ładunek elektryczny. Jest to siła Lorentza:

~

1

F = q( ~

E + ~v × ~

B)

c

1.2 Postać całkowa równań Maxwella

Często używanymi narzędziami matematycznymi będą, oprócz analizy wektorowej, twierdzenie Gaussa:

Z

I

div ~

A d 3 r =

~

A · ~n dσ

(1.3)

V

∂V

oraz twierdzenie Stokesa:

Z

I

rot ~

A · ~n dσ =

~

A · d~l

(1.4)

S

∂S

gdzie przez ∂V oraz ∂S oznaczone są odpowiednio: powierzchnia ogranicza-jąca objętość V oraz krzywa będąca brzegiem powierzchni S.

Stosując twierdzenie Gaussa do równania (1.2) otrzymamy

d Z

I

−

d 3 r div ρ( ~r, t) =

~ · ~n dσ

dt V

∂V

Oznacza to zachowanie jako ładunku, jako że

d Z

Q( V ) =

d 3 r div ρ( ~r, t)

dt V

jest ładunkiem zawartym w objętości V .

Przy użyciu twierdzeń Gaussa (1.3)i Stokesa (1.4) otrzymuje się całkową formę równań Maxwella. I tak równanie (1.1a) daje po wycałkowaniu po objętości V

1 I

Q

~

( V ) =

E · ~n dσ

(1.5)

4 π ∂V

WYKŁAD 1.

18.II.2002

4

Równanie (1.1b) da po wzięciu całki powierzchniowej przez dowolną powierzchnię S

I

Z

~

4 π

1 d

B · d~l =

I +

~

E · ~n dσ

(1.6)

c

c dt

∂S

S

Jest to zmodyfikowane przez Maxwella (o prąd przesunięcia) prawo Ampera.

Odczytywane „z prawa na lewo” pokazuje, że ze zmiennym w czasie polem elektrycznym wiąże się pole indukcji magnetycznej.

Równanie (1.1c) daje podobnie prawo indukcji Faradaya:

I

Z

~

1 d

E · d~l = −

~

B · ~n dσ

(1.7)

c dt

∂S

S

czyli indukowana w zamkniętym obwodzie siła elektromotoryczna równa jest zmianie strumienia pola indukcji magnetycznej. Innymi słowy ze zmiennym w czasie polem magnetycznym wiąże się pole elektryczne.

I wreszcie równanie (1.1d) daje przy pomocy twierdzenia Gaussa wynik I

~

B · ~n dσ = 0

(1.8)

∂V

czyli strumień indukcji magnetycznej przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zeru.

1.3 Potencjały elektromagnetyczne

Z równania (1.1d) i tożsamości div rot ~a ≡ 0 wynika, że indukcja magnetyczna może być zapisana jako rotacja pewnego wektora ~

A : ~

B = rot ~

A. Wektor ~

A

jest potencjałem wektorowym.

Z równania (1.1c) mamy wtedy

1

∂ ~

A

rot ~

E + rot

= 0

c

∂t

czyli





1 ∂ ~

A

rot

~

 E +

 = 0

c ∂t

Tożsamość rot grad ~a ≡ 0 pozwala zapisać wyrażenie pod znakiem rotacji jako (minus) gradient pewnej funkcji skalarnej φ :

~

1 ∂ ~

A

E +

= − grad φ

c ∂t

WYKŁAD 1.

18.II.2002

5

. Znak minus ma tu charakter czysto techniczny. Funkcja φ jest potencjałem skalarnym, a oba potencjały φ i ~

A tworzą czteropotencjał pola elektromagne-

tycznego. Mamy zatem pola wyrażone przez czteropotencjał:

~

B = rot ~

A

(1.9a)

~

1 ∂ ~

A

E = − grad φ −

(1.9b)

c ∂t

Podstawiają równania (1.9) do równań Maxwella (1.1a) i (1.1b) otrzymuje się układ równań na potencjały wektorowy i skalarny:

1 ∂ div ~

A

4φ +

= − 4 πρ

(1.10)

c

∂t

1 ∂ 2 ~

A

4 π

1 ∂Φ !

4 ~

A −

= −

~ + grad

div ~

A +

;

(1.11)

c 2 ∂t 2

c

c ∂t

Przy wyprowadzeniu tych równań skorzystano m.inn. z tożsamości rot rot ~a ≡ grad div ~a − 4 ~a

oraz

div grad f ≡ 4f

1.4 Zadania i ćwiczenia

Zadania z listy nr 1

Dobrym przewodnikiem - samouczkiem - repetytorem z analizy wektorowej jest pierwszy rozdział podręcznika D.J. Griffiths’a - „Podstawy elektrodynamiki”. Go-rąco polecam/zalecam.

Zadanie 1.

Udowodnić następujące tożsamości wektorowe:

• div rot ~

a ≡ 0

• rot rot ~

a ≡ grad div ~a − 4 ~a

• div grad ϕ ≡ 4 ϕ

−

→

−

→

• grad ( ~

a · ~b) ≡ ~a × rot ~b + ~b × rot ~a + ( ~a · ∇) ~b + ( ~b · ∇) ~a

• div ( ~

a × ~b) = ~b · rot ~a − ~a · rot ~b

WYKŁAD 1.

18.II.2002

6

Zadanie 2.

Wprowadzamy tensor Levi - Civita (y?):

1

gdy i,j,k są parzystą permutacją liczb 1,2,3 ,







ijk =

− 1 gdy i,j,k są nieparzystą permutacją liczb 1,2,3 ,





0

gdy którakolwiek z liczb i,j,k powtarza się .

• Pokazać, że składowe iloczynu wektorowego ~

a ×~b można wtedy zapisać (z

wykorzystaniem konwencji sumacyjnej) jako

( ~a × ~b) i = ijk ajbk

• Zapisać tożsamości z poprzedniego zadania z wykorzystaniem konwencji sumacyjnej i użycia (tam gdzie można) symbolu ijk.

Zadanie 3.

Sprawdzić bezpośrednim rachunkiem twierdzenie Gaussa dla funkcji wektorowej

~a( ~r) = ( x 2 y, z, 2 z + 3 y) i obszaru całkowania w postaci sześcianu o boku 2 i kra-wędziach równoległych do osi układu. Początek układu współrzędnych pokrywa się ze środkiem sześcianu.

Zadanie 4.

Sprawdzić bezpośrednim rachunkiem twierdzenie Stokesa dla funkcji wektorowej

~a( ~r) = (6 , yz 2 , 3 y + z). Powierzchnią całkowania jest trójkąt o wierzchołkach w punktach {(0 , 0 , 0) , (0 , 1 , 0) , (0 , 0 , 2) }.

Zadanie 5.

Spróbować sprawdzić bezpośrednim rachunkiem twierdzenie Gaussa dla funkcji wektorowej

~r

~a( ~r) = r 2

i obszaru całkowania w postaci kuli o boku 1 ze środkiem pokrywającym się z początkiem układu.

Na czym polega trudność w tym zadaniu?

Ćwiczenia treningowe

Ćwiczenie 1.

Powtórzyć rachunki prowadzące do równań (1.10) i (1.11).

Ćwiczenie 2.

Udowodnić następujące tożsamości wektorowe:

• div ( f~

a) = f div ~a + ~a · grad f

WYKŁAD 1.

18.II.2002

7

• rot ( f~

a) = f rot ~a − ~a × grad f

−

→

−

→

• rot ( ~

a × ~b) = ( ~b · ∇) ~a − ( ~a · ∇) ~b + ~a div ~b − ~b div ~a Ćwiczenie 3.

Pokazać, że dla symbolu ijk zachodzi

δip

δir

δis

ijkprs = δ

jp

δjr δjs

δ

kp

δkr δks

a w konsekwencji (z użyciem konwencji sumacyjnej)

ijkprk = δipδjr − δirδjp

ijkpjk = 2 δip

ijkijk = 6

Ćwiczenie 4.

Udowodnić używając symbolu ijk

~a · ( ~b × ~c) ≡ ~b · ( ~c × ~a) − ~c · ( ~a × ~b)

~a × ( ~b × ~c) ≡ ~b ( ~a · ~b) − ~c ( ~a · ~b) Ćwiczenie 5.

Rozpisując równania Maxwella na składowe otrzymujemy 8 równań. Pola ~

E i B

mają razem 6 składowych. Jak to interpretować?

Ćwiczenie 6.

Pokazać, że z równań Maxwella (1.1) wynikają następujące równania: 1 ∂ 2 ~

B

4 π

4 ~

B −

= −

rot ~

c 2 ∂t 2

c

1 ∂ 2 ~

E

−

→

4 π ∂~

4 ~

E −

= 4 π ∇ρ +

c 2 ∂t 2

c ∂t