14. Potentialer och fält

Relevanta dokument
14. Potentialer och fält

14. Potentialer och fält

14. Potentialer och fält

15. Strålande system. Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 15.1

15. Strålande system

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

Tentamen i El- och vågrörelselära,

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

18. Sammanfattning Ursprung och form av fältena Elektrostatik Kraft, fält och potential 2 21, (18.3)

18. Sammanfattning Kraft, fält och potential. Krafter F är fysikaliskt mätbara storheter Elfält beror på kraften som F = Eq (18.

18. Sammanfattning. Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 18.1

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Tentamen i El- och vågrörelselära,

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

Föreläsning , , i Griffiths Vi kommer nu till hur elektromagnetiska vågor genereras!

Elektrodynamik. Elektrostatik. 4πε. eller. F q. ekv

Tentamen i El- och vågrörelselära,

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

r 2 C Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

Elektromagnetiska falt och Maxwells ekavtioner

1.15 Uppgifter UPPGIFTER 21. Uppgift 1.1 a) Visa att transformationen x i = a ikx k med. (a ik ) =

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

Matematikuppgifter del II, FYTA11

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Föreläsning 8. Ohms lag (Kap. 7.1) 7.1 i Griffiths

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Repetition kapitel 21

Föreläsning 4 1. Den andra av Maxwells ekvationer i elektrostatiken

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Appendix A: Differentialoperatorer i olika koordinatsystem

Vektoranalys I. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

Lösningar till seminarieuppgifter

Bra tabell i ert formelblad

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

u = 3 16 ǫ 0α 2 ρ 2 0k 2.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tenta svar. E(r) = E(r)ˆr. Vi tillämpar Gauss sats på de tre områdena och väljer integrationsytan S till en sfär med radie r:

SF1626 Flervariabelanalys

Integraler av vektorfält Mats Persson

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 24 augusti, 2009, kl

LAPLACES OCH POISSONS EKVATIONER

Motivet finns att beställa i följande storlekar

2. Lösning av elektrostatiska problem för ledare

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

Rep. Kap. 27 som behandlade kraften på en laddningar från ett B-fält.

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

13. Plana vågors reflektion och brytning

Formelsamling till Elektromagnetisk

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

2. Lösning av elektrostatiska problem för ledare

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

Lösningsförslag Inlämningsuppgift 1 elstatikens grunder

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Tentamensskrivning i Ellära: FK4005e Fredag, 11 juni 2010, kl 9:00-15:00 Uppgifter och Svar

Tentamen: Lösningsförslag

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

201. (A) Beräkna derivatorna till följande funktioner och förenkla så långt som möjligt: a. x 7 5x b. (x 2 x) 4. x 2 +1 x + 1 x 2 (x + 1) 2 f.

Tentamen i matematik. f(x) = ln(ln(x)),

Oscillerande dipol i ett inhomogent magnetfält

Fysik TFYA68. Föreläsning 2/14

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

ENDIMENSIONELL ANALYS A3/B kl INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna ska vara försedda med ordentliga motiveringar. lim

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

1 Potenitallösningen för strömningen kring en cylinder

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Förståelsefrågorna besvaras genom att markera en av rutorna efter varje påstående till höger. En och endast en ruta på varje rad skall markeras.

ANDREAS REJBRAND Elektromagnetism Coulombs lag och Maxwells första ekvation

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Maxwell insåg att dessa ekvationer inte var kompletta!! Kontinutetsekvationen. J = ρ

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Tentamen för FYSIK (TFYA68)

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

Transkript:

14. Potentialer och fält [Griffiths,RMC] För att beräkna strålningen från kontinuerliga laddningsfördelningar och punktladdningar måste deras el- och magnetfält vara kända. Dessa är i de flesta fall enklast att beräkna efter att de retarderade skalär- och vektorpotentialerna bestämts. I det följande tar vi en närmare titt på potentialerna, och beräknar fälten för punktladdningar i godtycklig (icke-relativistisk) rörelse. De senare kräver en hel del mera matematik än fälten från enkla laddningsfördelningar. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.1

14.1. Repetition av potentialerna Vi visade tidigare att vi kan definiera en magnetisk vektorpotential A och en skalär potential ϕ så att B = A (14.1) E = ϕ t A (14.2) Maxwells I och IV lag i vakuum blir för dessa 2 ϕ + t A = ρ ε 0 (14.3) 2 A ( A) µ 0 ε 0 t ϕ µ 0 ε 0 2 t A = µ 0J (14.4) Enligt tidigare kan vi addera gradienten av en godtycklig skalärfunktion Ψ till A utan att det ändrar på B = A. Denna egenskap hos A kallades måttinvarians. I Lorentz-måttet väljs Ψ så att A = 2 Ψ = µ 0 ε 0 t ϕ (14.5) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.2

Vågekvationerna för potentialerna reduceras nu till 2 ϕ µ 0 ε 0 2 t ϕ = ρ ε 0 (14.6) 2 A µ 0 ε 0 2 t A = µ 0J (14.7) som är av utseendet 2 ϕ = ρ ε 0 (14.8) 2 A = µ 0 J (14.9) där kallas d Alemberts operator. 2 2 µ 0 ε 0 2 t (14.10) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.3

14.2. Kontinuerliga laddningsfördelningar [Griffiths] Vi argumenterade tidigare oss fram till följande uttryck för de retarderade potentialerna för kontinuerliga laddningsfördelningar: ϕ(r, t) = Z 1 4πε 0 A(r, t) = µ Z 0 4π V V dv ρ(r, t r ) r r dv J(r, t r ) r r (14.11) (14.12) där den retarderade tiden är t r = t r r c Riktigheten i dessa uttryck kan verifieras genom att sätta in dem i vågekvationerna. (14.13) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.4

Exempel 1: Låt strömmen I i en oändligt lång rak ledning längs med z- axeln vara 0 då t < 0 och I 0 då t 0. Bestäm E och B. Eftersom ledningen är neutral så gäller ρ = 0 och därför ϕ = 0. Vektorpotentialen är A(r, t) = µ 0bz 4π = µ 0bz 4π = µ 0bz 4π Z Z Z dz I(t r) r r dz I(t r r /c) r r dz I(t s 2 + z 2 /c) s2 + z 2 (14.14) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.5

Endast för tiden t r = t s 2 + z 2 /c 0 gäller I 0. Tidigare än detta är strömmen noll. Detta ger z q (ct) 2 s 2 (14.15) så att A(s, t) = µ 0I 0 bz 4π Z (ct) 2 s 2 dz (ct) 2 s 2 1 s2 + z 2 = µ Z (ct) 0I 0 bz 2 s 2 1 dz 2π 0 s2 + z 2 = µ r 0I 0 bz q q ln( s 2 + ( (ct) 2 s 2 ) 2 + ( (ct) 2 s 2 )) 2π q «ln( s 2 + (0) 2 + 0) = µ 0I 0 bz 2π = µ 0I 0 bz 2π ln(ct + ln ct + q «(ct) 2 s 2 ) ln(s) p (ct)2 s 2 s (14.16) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.6

Elfältet är nu µ 0 ci 0 bz E(s, t) = t A = 2π p (14.17) (ct) 2 s 2 Magnetfältet är B(s, t) = A = s A z b ψ = µ 0 I 0 2π ct b ψ s p (ct) 2 s 2 (14.18) Check: Då t är situationen den att en konstant ström flyter i en lång rak ledning. Vi ska då få tillbaka det tidigare resultatet för B. lim E(s, t) = lim t t µ 0 ci 0 bz 2π p (ct) 2 s 2 = 0 (14.19) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.7

lim B(s, t) = lim t t µ 0 I 0 2π ct b ψ s p (ct) 2 s 2 (14.20) µ 0 I 0 cψ = lim b t 2π s p (14.21) c 2 (s/t) 2 = µ 0I 0 2π bψ s (14.22) Ampères lag ger 2πsB/µ 0 = I 0 så att B = µ 0 I 0 /(2πs), och riktningen är b ψ. OK! Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.8

Exempel 2: Som föregående exempel, men för strömmen I gäller I = 0 då t < 0 och I = kt då t 0. A(r, t) = µ 0bz 4π = µ 0bz 4π Z Z dz kt r r r dz k(t r r /c) r r (14.23) (14.24) För t r = t r r = t s 2 + z 2 /c 0 gäller k 0. detta ger att z q (ct) 2 s 2 (14.25) så Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.9

A(s, t) = µ Z (ct) 0kbz 2 s 2 4π 2 dz t s 2 + z 2 /c (14.26) 0 s2 + z 2 Z (ct) 2 s 2 = µ 0kbz 2πc = µ 0kbz 2πc 0 dz ct s 2 + z 2 s2 + z 2 (14.27) Z (ct) 2 s 2 «ct dz s2 + z 1 2 0 = µ q 0kbz 2πc ( (ct) 2 s 2 ) + µ 0kbz 2πc = µ 0kbz 2πc q (ct) 2 s 2 + µ 0ktbz 2π Vi har inga externa laddningar, så ρ(r, t r ) = 0 och ϕ(s, t) = 0 p ct + (ct)2 s 2 ct ln s p ct + (ct)2 s 2 ln s (14.28) (14.29) (14.30) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.10

14.3. Punktladdningar 14.3.1. Liénard-Wiechert-potentialerna [RMC, Griffiths] Vi ska nu bestämma de retarderade potentialerna för en punktladdning q. Laddningarna antas nu ha stora (icke-relativistiska) hastigheter, vilket komplicerar proceduren att ta reda på den retarderade tiden. Låt laddningens position vara beskriven av kurvan w = w(t), och låt observationspunkten där potentialerna och fälten ska bestämmas vara r(t). Den retarderade tiden t r fås från insikten att en förändring i w vid den retarderade tiden t r når observatören i punkten i r vid tiden t med ljusets hastighet: Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.11

r(t) w(t r ) = c(t t r ) (14.31) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.12

Detta är i princip samma relation som tidigare, men nu kan vi inte längre approximera w(t r ) w(t) för att laddningarna i det allmänna fallet kan röra sig godtyckligt snabbt (men så att hastigheterna är icke-relativistiska). Detta ger t r = t r(t) w(t r ) /c (14.32) Skalärpotentialen är nu ϕ(r, t) = 1 4πε 0 Z dv r ρ(r r, t r) r r (t r ) (14.33) där r löper över punktladdningen, som nu tänkes ha en liten utsträckning. Detta gör att följande behandling också är giltig för laddningsfördelningar som är mycket små. Observera, att laddningstätheten nu beror på laddningselementens olika positioner r funktioner av olika retarderade tider. Inte bra! som är Vi går nu vidare så att vi väljer en fixerad retarderad tid t r1 och evaluerar positionerna r för denna tid. Dessa blir då r (t r1 ). Poängen med detta är att en integral över laddningstätheten för en och samma fixerade retarderade tid för alla laddningar ger oss den korrekta laddningen. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.13

Laddningstätheten blir ρ(r (t r ), t r ) = ρ(r (t r1 ), t r1 ) (14.34) Positionerna vid den nya tiden t r1 expanderar vi nu i den gamla tiden t r : r (t r1 ) = r (t r ) + v(t r )(t r1 t r ) + dv dt tr(t r1 t r ) 2 +... (14.35) Volymelementet dv r bör nu ändras till dv r1. För detta behövs Jakobianen (funktionaldeterminanten) J(x r1, y r1, z r1 ; x r, y r, z r ): dv r1 = J(x r1, y r1, z r1 ; x r, y r, z r )dv r (14.36) x rx r1 y rx r1 z rx r1 = x ry r1 y ry r1 z ry r1 x rz r1 y rz r1 z rz r1 dv r (14.37) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.14

En räkning ger slutsvaret dv r1 = dv r 1 v(t r) br(t, t r ) c 1 c dv dt tr br(t, t r )(t r t r1 ) +...! (14.38) där R = r(t) r (t r ) (14.39) br = R R (14.40) Man kan argumentera att 1 dv c dt tr br(t r1 t r ) 1 c 2 dv dt trd 1 (14.41) där d är den punktformade laddningens storlek. På motsvarande sätt ska högre ordningens termer försvinna. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.15

Detta ger dv r1 dv r 1 v(t r) br! c (14.42) Vi får slutligen ϕ(r, t) = = 1 4πε 0 Z dv r1 ρ(r (t r1 ), t r1 ) 1 v(t r ) br/c R Z 1 1 4πε 0 R(1 v(t r ) br/c) 1 4πε 0 qc Rc v(t r ) R dv r1 ρ(r (t r1 ), t r1 ) (14.43) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.16

Man kan visa att vektorpotentialen är A(r, t) = µ 0 4π qcv(t r ) Rc v(t r ) R (14.44) = µ 0 ε 0 v(t r )ϕ(r, t) (14.45) = v(t r) c 2 ϕ(r, t) (14.46) Sammanfattningsvis: ϕ(r, t) = 1 4πε 0 qc Rc v R (14.47) A(r, t) = v c2ϕ(r, t) (14.48) R = r(t) w(t r ) (14.49) v(t r ) = dw(t) dt t=t r (14.50) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.17

Arbetsschema: (i) Bestäm den retarderade tiden t r från givet uttryck för w = w(t). (ii) Bestäm R = c(t t r ). (iii) Bestäm R = r(t) w(t r ). (iv) Bestäm Rc v(t) R. (v) Skriv ner potentialerna. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.18

Exempel 1: Bestäm potentialerna för en punktladdning som rör sig genom origo då t = 0. Nu gäller w(t) = vt där v är en konstant. (i) Bestäm den retarderade tiden. ger r(t) w(t r ) = c(t t r ) (14.51) som ger r(t) vt r = c(t t r ) (14.52) eller r 2 + v 2 t 2 r 2r vt r = c 2 t 2 + c 2 t 2 r 2ctt r (14.53) Lösningen är (v 2 c 2 )t 2 r + 2(ct r v)t r + r 2 c 2 t 2 = 0 (14.54) t r = (c2 t r v) ± p (c 2 t r v) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) c 2 v 2 (14.55) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.19

Vilket tecken bör vi använda? Då v = 0 reduceras uttrycket till t r = c2 t ± p c 4 t 2 + c 2 r 2 c 4 t 2 ) c 2 = t ± r/c (14.56) Vi vet ju från tidigare att den retarderade tiden ser ut som t r = t r w /c, så vi måste välja minustecknet: t r = (c2 t r v) p (c 2 t r v) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) c 2 v 2 (14.57) (ii) och (iii): Bestäm R(t r ) och R(t r ). R = c(t t r ) (14.58) R = r w(t r ) (14.59) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.20

(iv) Bestäm Rc v(t r ) R. Eftersom hastigheten är konstant har vi v(t r ) = v. Rc v R(t r ) = c 2 (t t r ) v r + v (vt r ) (14.60) = c 2 (t t r ) v r + v 2 t r (14.61) = c 2 t v r (c 2 v 2 )t r (14.62) Insättning av uttrycket för t r ger nu Rc v R(t r ) = q (c 2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) (14.63) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.21

(v) Skriv ner potentialerna. ϕ(r, t) = A(r, t) = v c qc 1 p 4πε 0 (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) = µ 0qvc 4π q 1 p 4πε 0 (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) 1 p (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) (14.64) (14.65) (14.66) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.22

Exempel 2: Bestäm potentialerna längs med z-axeln för en punktladdning som rör sig med likformig vinkelhastighet i en cirkel i xy-planet. Cirkelns radie är a. Låt laddningen vara i (x, y) = (a, 0) vid tiden t = 0. Nu gäller w(t) = bxa cos(ωt) + bya sin(ωt) och r = zbz. (i) Bestäm den retarderade tiden. ger oss r(t) w(t r ) = c(t t r ) (14.67) t r = t p a 2 + z 2 /c (14.68) (ii) Bestäm R(t r ) och R(t r ). R = c(t t r ) (14.69) R = r w(t r ) = zbz a(bx cos(ωt r ) + by sin(ωt r )) (14.70) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.23

(iii) Bestäm Rc v(t r ) R. Hastigheten är så att v(t) = dw dt = aωbx sin(ωt) + aωby cos(ωt) (14.71) Rc v(t r ) R = Rc a 2 ω cos(ωt r ) sin(ωt r ) + a 2 ω cos(ωt r ) sin(ωt r ) = Rc = c 2 (t t r ) = c p a 2 + z 2 (14.72) (iv) Skriv ner potentialerna. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.24

ϕ(r, t) = = qc 1 4πε 0 c (14.73) a 2 + z 2 1 4πε 0 q a2 + z 2 (14.74) A(r, t) = v c2ϕ(r, t) (14.75) = qaω bx sin(ωt) by cos(ωt) 4πε 0 c 2 a2 + z 2 (14.76) (14.77) Check: Då a 0 skall vi få tillbaka situationen för en statisk punktladdning i origo. Gränsvärdena ger ϕ(r, t) = 1 4πε 0 q z (14.78) A(r, t) = 0 (14.79) OK! Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.25

14.3.2. El- och magnetfälten för punktladdningar i godtycklig rörelse [Griffiths] Ända tills nu nöjde vi oss med att bestämma potentialerna, och då endast för laddningar i likformig rörelse. Vi ska nu se hur fälten blir att se ut, speciellt för laddningar i godtycklig (icke-relativistisk) rörelse. Potentialerna är ju där ϕ(r, t) = qc 1 4πε 0 Rc v(t r ) R (14.80) A(r, t) = v(t r) c 2 ϕ(r, t) (14.81) R = r(t) w(t r ) (14.82) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.26

Fälten är som bekant E(r, t) = ϕ(r, t) t A(r, t) (14.83) B(r, t) = A(r, t) (14.84) Gradienten av skalärpotentialen är ϕ(r, t) = qc 4πε 0 1 (Rc v(t r ) R) 2 (Rc v(t r) R) (14.85) Vi får två termer T 1, T 2 som kräver närmare behandling. T 1 : c R(t, t r ) = c (c(t t r )) = c 2 t r (14.86) T 2 : (v(t r ) R(t, t r )) = (R )v + (v )R +R ( v) + v ( R) (14.87) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.27

Detta ger fyra termer t 1, t 2, t 3, t 4 som måste granskas. Term t 1 : (R )v = (R x x + R y y + R z z )v (14.88) = R x x v + R y y v + R z z v (14.89) = R x t r x dv t r + R y dt r y dv t r + R z dt r z dv dt r (14.90) = a(r t r ) (14.91) där accelerationen är Term t 2 : a(t r ) dv(t r) dt r (14.92) (v )R = (v )(r(t) r (t r )) (14.93) = (v x x + v y y + v z z )(xbx + yby + zbz) (v )r (t r ) (14.94) = v x bx + v y by + v z bz (v )r (t r ) (14.95) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.28

= v (v )r (t r ) (14.96) = v X i v xi r (t r ) x i (14.97) = v X i v xi t r x i dr (t r ) dt r (14.98) = v (v t r )v(t r ) (14.99) Term t 3 : R ( v) = R = R 0 @ X ijk 0 @ X ijk 1 ε ijk bx i v k A (14.100) x j ε ijk bx i t r x j 1 d v k A (14.101) dt r = R ( t r a) (14.102) = R (a t r ) (14.103) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.29

Term t 4 : v ( R) = v ( r r ) (14.104) = v ( r ) (14.105) = v ( t r v) (14.106) = v (v t r ) (14.107) Här tog vi modell av vad vi gjorde för term t 3. Term T 2 blir nu (v(t r ) R) = a(r t r ) + v v(v t r ) R (a t r ) + v (v t r ) (14.108) Med BAC-CAB-regeln fås nu Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.30

(v(t r ) R) = a(r t r ) + v v(v t r ) (a(r t r ) t r (R a)) +(v(v t r ) t r (v v)) (14.109) = v + (R a v 2 ) t r (14.110) Gradienten av potentialen blir slutligen ϕ(r, t) = qc 1 4πε 0 (Rc v(t r ) R) 2 c 2 t r (v + (R a v 2 ) t r ) (14.111) = qc 4πε 0 v + (c2 v 2 + R a) t r (Rc v(t r ) R) 2 (14.112) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.31

t r fås med följande resonemang. c t r = R(t r ) = 1 R R = 2 (R R) R R (14.113) = 1 2(R ( R) + (R )R) 2R (14.114) = 1 R (R ( R) + R v(r t r)) (14.115) = 1 R (R (v t r) + R v(r t r )) (14.116) = 1 R (R (R v(t r)) t r ) (14.117) så att R t r = Rc v(t r ) R (14.118) Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.32

Detta ger ϕ(r, t) = = qc v (c2 v 2 + R a)r/(rc v(t r ) R) (14.119) 4πε 0 (Rc v(t r ) R) 2 qc 4πε 0 (Rc v(t r) R)v (c 2 v 2 + R a)r (Rc v(t r ) R) 3 (14.120) En motsvarande räkning ger också att t A(r, t) = 1 qc 4πε 0 (Rc v(t r ) R) [(Rc v(t r) R)( v(t 3 r ) + Ra/c) i +R(c 2 v 2 + R a)v(t r )/c (14.121) Introducera hjälpvektorn u = b Rc v(t r ) (14.122) så att vi får Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.33

E(r, t) = = q 4πε 0 q 4πε 0 R h i (c 2 v 2 )u + R (u a) (R u) 3 R h (c 2 v 2 )u + (R a)u (R u)a (R u) 3 i (14.123) (14.124) För magnetfältet behövs rotorn av A: B(r, t) = A(r, t) = 1 c 2 (v(t r)ϕ(r, t)) (14.125) = 1 c 2 (ϕ v(t r) v ( ϕ)) (14.126) = 1 c q 1 h i 4πε 0 (R u) 3R (c 2 v 2 )v + (R a)v + (R u)a Genom att jämföra med tidigare kan vi omvandla detta till (14.127) B(r, t) = 1 b 1 R E(r, t) = R E(r, t) (14.128) c Rc Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.34

Allmänna slutsatser: (1) Magnetfältet är vinkelrätt mot elfältet. (2) Magnetfältet är vinkelrätt mot vektorn som sammanbinder laddningens retarderade position med observationspunkten. Vi ser att första termen i elfältsuttrycket är inverst proportionell mot kvadraten av avståndet mellan laddning och observationspunkt, och påminner därför om Coulombs lag. Därför kan denna term kallas det generaliserade Coulomb-fältet. Eftersom denna term inte heller beror på laddningens acceleration kallas den för hastighetsfältet. Andra och tredje termerna är inverst proportionella mot avståndet, så att dessa dominerar över första termen vid stora avstånd. Dessa termer ger i själva verket upphov till strålning, som vi ska se senare. Därför kallas dessa termer också strålningsfältet. Eftersom endast de två sista termerna innehåller accelerationen kallas denna del av fältet för accelerationsfältet. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.35

Låt oss ännu skriva ner Lorentz-kraften F = q(e + v B) för laddningar i godtycklig rörelse. F(r, t) = qq R h (c 2 v 2 )u + R (u a) 4πε 0 (R u) 3 + V c br h(c 2 v 2 )u + R (u a)i (14.129) där Q är den andra laddningens storlek, V dess hastighet, och r dess position. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.36

Arbetsschema: (i) Bestäm den retarderade tiden t r laddningens position är w = w(t). med hjälp av relationen c(t t r ) = r w(t r ), där (ii) Bestäm R = c(t t r ). (iii) Bestäm R = r(t) w(t r ). (iv) Bestäm u = cr/r v(t r ), där v = dw/dt är laddningens hastighet vid den retarderade tiden. (v) Bestäm R u = Rc v(t r ) R. (vi) Bestäm a = dv/dt = d 2 w/dt 2. (vii) Bestäm R (u a). (viii) Skriv ner elfältet och förenkla. (ix) Bestäm magnetfältet från E och b R. Elektrodynamik, vt 2008, Kai Nordlund 14.37