Wykład 11

6.V.2002

wersja na dzień 20 maja 2002 roku

11.1

Energia dielektryka w polu elektrycznym Wychodzimy z ogólnego wyrażenia na energię 1 Z

W =

d 3 r ρΦ .

8 π

Wykorzystuje się równanie div ~

D = 4 πρ raz ~

E = −∇Φ. Po wycałkowaniu przez części otrzymamy

1 Z

W =

d 3 r ~

E · ~

D .

(11.1)

8 π

Wbrew naiwnej interpretacji powyższego wzoru, po wprowadzeniu dielektryka do pola elektrycznego całkowita energia układu zmniejsza się. Intuicyjnie wynika to ze wzoru na energię układu ładunków w polu zewnętrznym: V = QV (0) − ~

d · ~

E| 0 + · · ·

skąd wynika, że moment dipolowy równoległy do pola daje ujemny wkład do energii.

W naszym przypadku policzmy różnicę energii układu próżniowego (stała dielektryczna 0 = 1) i układu ze wstawionym dielektrykiem nienaładowanym (stała dielektryczna ).

Z

8 π δW =

d 3 r ( ~

E · ~

D − ~

E 0 · ~

D 0)

(11.2)

Z

Z

Z

=

d 3 r ( ~

E + ~

E 0) · ( ~

D − ~

D 0) +

d 3 r ~

E · ~

D 0 −

d 3 r ~

E 0 · ~

D

58

WYKŁAD 11. 6.V.2002

59

Pierwszą całkę całkujemy przez części, wykorzystując, że ~

E + ~

E 0 jest gradientem.

Ponieważ rozkłady ładunków nie zmieniają się to pierwsza całka jest równa zeru.

Pozostałe wyrazy dają wkład

Z

d 3 r ( 0 − ) ~

E · ~

E 0 ,

który jest różny od zera tylko wewnątrz dielektryka. Wyrażenie to można zapisać jako

Z

− 4 π

d 3 r ~

P · ~

E 0

Ostatecznie

1 Z

δW = −

d 3 r ~

P · ~

E 0

;

2

co dowodzi naszej tezy.

11.1.1

Warunki brzegowe w magnetostatyce i elektro-statyce

Warunki na granicy ośrodków otrzymuje się wykorzystując twierdzenia Gauss’a i Stokes’a.

Elektrostatyka

Na granicy dwóch dielektryków, pod nieobecność ładunków otrzymamy z równania div ~

D = 0, wykorzystując twierdzenie Gaussa, warunek ciągłości składowych normalnych indukcji: D 1 n = D 2 n. Oznacza to skok składowych normalnych wektora natężenia pola elektrycznego.

Dla pola elektrycznego, z równania rot ~

E = 0, otrzymamy z twierdzenia

Stokes’a warunek ciągłości składowych stycznych pola elektrycznego E 1 t =

E 2 t.

Na granicy dielektryk - przewodnik, przy powierzchniowej gęstości ładunku σ otrzymamy Dn = 4 πσ. Ponieważ wewnątrz przewodnika En = 0, to stąd wynika, że przewodnik może być formalnie traktowany jako dielektryk z nie-skończoną stałą dielektryczną.

11.1.2

Magnetostatyka przewodnika

Gdy w przewodniku płynie różny od zera prąd stały ~ to uśredniony prąd mikroskopowy można zapisać jako

< ρ~v > = c rot ~

M + ~

(11.3)

WYKŁAD 11. 6.V.2002

60

Odpowiednie równanie na pole magnetyczne ma wtedy postać 4 π

rot ~

H =

~ .

(11.4)

c

11.2

Pola zmienne w czasie

W przypadku gdy w ośrodku znajdują się źródła (ładunki ρex i prądy ze-wnętrzne ~ex) zmienne w czasie, uśrednienie równanie mikroskopowego 1 ∂~e

4 π

rot ~b −

=

~

(11.5)

c ∂t

c

wymaga dodatkowej dyskusji. Konsekwencją takich zmiennych źródeł jest zmienność w czasie polaryzacji ~

P . To z kolei, jak zobaczymy, generuje dodat-kowy wkład do prądu. Jeśli przez %in oznaczymy uśrednioną gęstość ładunków wewnętrznych

%in( ~r, t) = < ρ > ( ~r, t) , to definicja polaryzacji daje

div ~

P = −%in .

Różniczkując powyższe równanie obustronnie po czasie mamy

∂ ~

P

∂%

div

= −

in .

(11.6)

∂t

∂t

Ponieważ ładunek ρin jest zachowany, to musi tez istnieć prąd ~P ( prąd polaryzacji ) taki, że

∂%

div ~P +

= 0

∂t

Porównując to wyrażenie z równaniem (11.6) przyjmujemy, że

∂ ~

P

~P = c

.

(11.7)

∂t

Uśredniając równanie (11.5) otrzymuje się po prawej stronie sumę prądu zewnętrznego ~ex, prądu polaryzacji ~P oraz wkład od magnetyzacji – c rot ~

M .

Otrzymuje się zatem





1 ∂ ~

E

4 π

4 π

∂ ~

P

rot ~

B −

=

~

=

 ~



+ c rot ~

M  .

c ∂t

c

ex + ~

P + c rot ~

M

c

ex + ∂t

(11.8)

WYKŁAD 11. 6.V.2002

61

Uwzględniając odpowiednie definicje otrzymuje się ostatecznie 1 ∂ ~

D

4 π

rot ~

H −

=

~

c ∂t

c ex

(11.9)

Kompletny układ równań materiałowych ma więc postać 1 ∂ ~

B

rot ~

E +

= 0 .

(11.10a)

c ∂t

div ~

D = 4 π%ex, .

(11.10b)

div ~

B = 0 .

(11.10c)

1 ∂ ~

D

4 π

rot ~

H −

=

~

c ∂t

c ex .

(11.10d)

11.3

Energia pola elektromagnetycznego

Wychodząc z bilansu energii przy przepływie prądu zmiennego i prawa Ohma q = ~

J · ~

E

otrzymuje się

∂W

Z

= −Q −

~

S · dσ

(11.11)

∂t

S

gdzie

1 Z

W =

( ~

E · ~

D + ~

H · ~

B) dV ;

8 π V

jest energię pola elektromagnetycznego, a

~

c

S =

~

E × ~

H

(11.12)

4 π

jest wektorem Poyntinga.

Wektor Poyntinga jest strumieniem energii płynącej przez powierzchnię ograniczającą obszar V .

. . .

11.4

Zadania i ćwiczenia

Zadania z listy nr 6

Zadanie 1.

Obliczyć moment magnetyczny cząstki naładowanej poruszającej się w stałym

WYKŁAD 11. 6.V.2002

62

polu magnetycznym. Pokazać, że niezależnie od znaku ładunku moment ten jest skierowany zawsze przeciwnie do kierunku pola.

Zadanie 2.

Wychodząc z wyrażenia na energię pola magnetycznego 1 Z

W =

~

H · ~

B dV

8 π V

pokazać, że dla układu zlokalizowanych prądów stałych umieszczonych w ośrodku o przenikalności magnetycznej µ, energia pola magnetycznego wynosi µ Z

~

J( ~r) · ~

J( ~r0)

W =

d 3 rd 3 r0

;

2 c 2

|~r − ~r0|

Wskazówka: Pokazać, że ~

H · ~

B = div ( ~

A × ~

B) + ~

A · ~

J ;

Zadanie 3.

Wykazać, że jeśli w przewodnikach z poprzedniego zadania płyną prądy stałe o natężeniach I 1 , I 2 , . . . , In, to energia pola magnetycznego może być zapisana w postaci

1 n

n

n

W =

X L

+ X X L

2

iI 2

i

i j IiIj ;

i=1

i=1 j>i

Znaleźć wyrażenia na współczynniki indukcji własnej Li i współczynniki indukcji wzajemnej Li j