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

Tentamen i El- och vågrörelselära,

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

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

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

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

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

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

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Tentamen i El- och vågrörelselära,

11. Maxwells ekvationer och vågekvationen

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

Lösningar till seminarieuppgifter

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

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

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

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:

Föreläsning 4 1. Den andra av Maxwells ekvationer i elektrostatiken

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

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 ) =

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Repetition kapitel 21

Integraler av vektorfält Mats Persson

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

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

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

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

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

Matematikuppgifter del II, FYTA11

u = 3 16 ǫ 0α 2 ρ 2 0k 2.

Bra tabell i ert formelblad

Övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

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

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

SF1626 Flervariabelanalys

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

2. Lösning av elektrostatiska problem för ledare

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

LAPLACES OCH POISSONS EKVATIONER

Motivet finns att beställa i följande storlekar

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

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

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

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.

Formelsamling till Elektromagnetisk

TATA44 Lösningar 26/10/2012.

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

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

Tentamen: Lösningsförslag

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

ANDREAS REJBRAND Elektromagnetism Coulombs lag och Maxwells första ekvation

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

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

Integration m.a.p. t av båda led ger. Lektion 13, Flervariabelanalys den 15 februari x(t) x(0) = log y(t) log y(0) = log.

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag Inlämningsuppgift 1 elstatikens grunder

13. Plana vågors reflektion och brytning

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

Föreläsning 12. Tidsharmoniska fält, komplexa fält (Kap ) Plana vågor (Kap ) i Griffiths

Tentamen för FYSIK (TFYA68)

Oscillerande dipol i ett inhomogent magnetfält

Fysik TFYA68. Föreläsning 2/14

SF1646 Analys i flera variabler Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

8. Elektromagnetisk induktion

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2006

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

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

2. Lösning av elektrostatiska problem för ledare

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

1 Potenitallösningen för strömningen kring en cylinder

Transkript:

4. 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 203, Kai Nordlund 4. 4.. Repetition av potentialerna Vi visade tidigare att vi kan definiera en magnetisk vektorpotential A och en skalär potential ϕ så att B = A (4.) E = ϕ t A (4.2) Maxwells I och IV lag i vakuum blir för dessa 2 ϕ + t A = ρ ε 0 (4.3) 2 A ( A) µ 0 ε 0 t ϕ µ 0 ε 0 2 t A = µ 0J (4.4) 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 (4.5) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.2

Vågekvationerna för potentialerna reduceras nu till 2 ϕ µ 0 ε 0 2 t ϕ = ρ ε 0 (4.6) 2 A µ 0 ε 0 2 t A = µ 0J (4.7) som är av utseendet 2 ϕ = ρ ε 0 (4.8) 2 A = µ 0 J (4.9) där kallas d Alemberts operator. 2 2 µ 0 ε 0 2 t (4.0) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.3 4.2. Kontinuerliga laddningsfördelningar [Griffiths] Vi argumenterade tidigare oss fram till följande uttryck för de retarderade potentialerna för kontinuerliga laddningsfördelningar: ϕ(r, t) = 4πε 0 A(r, t) = µ 0 4π V V dv ρ(r, t r ) r r dv J(r, t r ) r r (4.) (4.2) där den retarderade tiden är t r = t r r c Riktigheten i dessa uttryck kan verifieras genom att sätta in dem i vågekvationerna. (4.3) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.4

Exempel : 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 0ẑ 4π = µ 0ẑ 4π = µ 0ẑ 4π 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 (4.4) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.5 Endast för tiden t r = t s 2 + z 2 /c 0 gäller I 0. Tidigare än detta är strömmen noll. Detta ger så att z (ct) 2 s 2 (4.5) A(s, t) = µ 0I 0 ẑ 4π (ct) 2 s 2 dz (ct) 2 s 2 s2 + z 2 = µ (ct) 0I 0 ẑ 2 s 2 dz 2π 0 s2 + z 2 = µ ( 0I 0 ẑ ln( s 2 + ( (ct) 2 s 2 ) 2 + ( (ct) 2 s 2 )) 2π ) ln( s 2 + (0) 2 + 0) = µ 0I 0 ẑ 2π = µ 0I 0 ẑ 2π ( ) ln(ct + (ct) 2 s 2 ) ln(s) ct + (ct)2 s 2 ln s (4.6) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.6

Elfältet är nu µ 0 ci 0 ẑ E(s, t) = t A = 2π (4.7) (ct) 2 s 2 Magnetfältet är B(s, t) = A = s A z ψ = µ 0 I 0 2π ct ψ s (4.8) (ct) 2 s 2 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. µ 0 ci 0 ẑ lim E(s, t) = lim t t 2π (ct) 2 s = 0 (4.9) 2 Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.7 µ 0 I 0 ct lim B(s, t) = lim ψ t t 2π s (4.20) (ct) 2 s 2 µ 0 I 0 c = lim ψ t 2π s (4.2) c 2 (s/t) 2 = µ 0I 0 2π ψ s (4.22) Ampères lag ger 2πsB/µ 0 = I 0 så att B = µ 0 I 0 /(2πs), och riktningen är ψ. OK! Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.8

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 0ẑ 4π = µ 0ẑ 4π dz kt r r r dz k(t r r /c) r r (4.23) (4.24) För t r = t r r = t s 2 + z 2 /c 0 gäller k 0. detta ger att så z (ct) 2 s 2 (4.25) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.9 A(s, t) = µ (ct) 0kẑ 2 s 2 4π 2 dz t s 2 + z 2 /c (4.26) 0 s2 + z 2 (ct) 2 s 2 = µ 0kẑ 2πc = µ 0kẑ 2πc 0 dz ct s 2 + z 2 s2 + z 2 (4.27) (ct) 2 s 2 ( ) ct dz s2 + z 2 0 = µ 0kẑ 2πc ( (ct) 2 s 2 ) + µ 0kẑ 2πc = µ 0kẑ 2πc (ct) 2 s 2 + µ 0ktẑ ct + ln 2π Vi har inga externa laddningar, så ρ(r, t r ) = 0 och ϕ(s, t) = 0 ct + (ct)2 s 2 ct ln s (ct)2 s 2 s (4.28) (4.29) (4.30) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.0

4.3. Punktladdningar 4.3.. 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 203, Kai Nordlund 4. r(t) w(t r ) = c(t t r ) (4.3) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.2

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 (4.32) Skalärpotentialen är nu ϕ(r, t) = 4πε 0 dv ρ(r r, t r) r r r (t r ) (4.33) 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 r och evaluerar positionerna r för denna tid. Dessa blir då r (t r ). 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 203, Kai Nordlund 4.3 Laddningstätheten blir ρ(r (t r ), t r ) = ρ(r (t r ), t r ) (4.34) Positionerna vid den nya tiden t r expanderar vi nu i den gamla tiden t r : r (t r ) = r (t r ) + v(t r )(t r t r ) + dv dt r t r ) t r(t 2 +... (4.35) Volymelementet dv r bör nu ändras till dv r. För detta behövs Jakobianen (funktionaldeterminanten) J(x r, y r, z r ; x r, y r, z r ): dv r = J(x r, y r, z r ; x r, y r, z r )dv r (4.36) x rx r y rx r z rx r = x ry r y ry r z ry r x rz r y rz r z rz r dv r (4.37) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.4

En räkning ger slutsvaret dv r = dv r ( v(t r) R(t, t r ) c dv c dt t r R(t, t r )(t r t r ) +... ) (4.38) där R = r(t) r (t r ) (4.39) R = R R (4.40) Man kan argumentera att dv c dt t r R(t r t r ) dv c 2 dt (4.4) t rd där d är den punktformade laddningens storlek. På motsvarande sätt ska högre ordningens termer försvinna. Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.5 Detta ger dv r dv r ( v(t r) R c ) (4.42) Vi får slutligen ϕ(r, t) = = 4πε 0 dv r ρ(r (t r ), t r ) v(t r ) R/c R 4πε 0 R( v(t r ) R/c) 4πε 0 qc Rc v(t r ) R dv r ρ(r (t r ), t r ) (4.43) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.6

Man kan visa att vektorpotentialen är A(r, t) = µ 0 4π qcv(t r ) Rc v(t r ) R (4.44) = µ 0 ε 0 v(t r )ϕ(r, t) (4.45) = v(t r) c 2 ϕ(r, t) (4.46) Sammanfattningsvis: ϕ(r, t) = 4πε 0 qc Rc v R (4.47) A(r, t) = v c2ϕ(r, t) (4.48) R = r(t) w(t r ) (4.49) v(t r ) = dw(t) dt t=t r (4.50) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.7 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 203, Kai Nordlund 4.8

Exempel : 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 ) (4.5) som ger r(t) vt r = c(t t r ) (4.52) eller r 2 + v 2 t 2 r 2r vt r = c 2 t 2 + c 2 t 2 r 2ctt r (4.53) Lösningen är (v 2 c 2 )t 2 r + 2(ct r v)t r + r 2 c 2 t 2 = 0 (4.54) t r = (c2 t r v) ± (c 2 t r v) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) c 2 v 2 (4.55) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.9 Vilket tecken bör vi använda? Då v = 0 reduceras uttrycket till t r = c2 t ± c 4 t 2 + c 2 r 2 c 4 t 2 ) c 2 = t ± r/c (4.56) 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) (c 2 t r v) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) c 2 v 2 (4.57) (ii) och (iii): Bestäm R(t r ) och R(t r ). R = c(t t r ) (4.58) R = r w(t r ) (4.59) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.20

(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 ) (4.60) = c 2 (t t r ) v r + v 2 t r (4.6) = c 2 t v r (c 2 v 2 )t r (4.62) Insättning av uttrycket för t r ger nu Rc v R(t r ) = (c 2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) (4.63) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.2 (v) Skriv ner potentialerna. ϕ(r, t) = qc 4πε 0 (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) A(r, t) = v q c 4πε 0 (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) = µ 0qvc 4π (c2 t v r) 2 + (c 2 v 2 )(r 2 c 2 t 2 ) (4.64) (4.65) (4.66) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.22

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) = xa cos(ωt) + ŷa sin(ωt) och r = zẑ. (i) Bestäm den retarderade tiden. ger oss r(t) w(t r ) = c(t t r ) (4.67) t r = t a 2 + z 2 /c (4.68) (ii) Bestäm R(t r ) och R(t r ). R = c(t t r ) (4.69) R = r w(t r ) = zẑ a( x cos(ωt r ) + ŷ sin(ωt r )) (4.70) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.23 (iii) Bestäm Rc v(t r ) R. Hastigheten är så att v(t) = dw dt = aω x sin(ωt) + aωŷ cos(ωt) (4.7) 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 a 2 + z 2 (4.72) (iv) Skriv ner potentialerna. Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.24

ϕ(r, t) = = qc 4πε 0 c a 2 + z 2 (4.73) q 4πε 0 a2 + z 2 (4.74) A(r, t) = v c2ϕ(r, t) (4.75) = qaω x sin(ωt) ŷ cos(ωt) 4πε 0 c 2 a2 + z 2 (4.76) (4.77) Check: Då a 0 skall vi få tillbaka situationen för en statisk punktladdning i origo. Gränsvärdena ger OK! ϕ(r, t) = q 4πε 0 z (4.78) A(r, t) = 0 (4.79) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.25 [Griffiths] 4.3.2. El- och magnetfälten för punktladdningar i godtycklig rörelse 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 4πε 0 Rc v(t r ) R (4.80) A(r, t) = v(t r) c 2 ϕ(r, t) (4.8) R = r(t) w(t r ) (4.82) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.26

Fälten är som bekant E(r, t) = ϕ(r, t) t A(r, t) (4.83) B(r, t) = A(r, t) (4.84) Gradienten av skalärpotentialen är ϕ(r, t) = qc 4πε 0 (Rc v(t r ) R) (Rc v(t r) R) (4.85) 2 Vi får två termer T, T 2 som kräver närmare behandling. T : c R(t, t r ) = c (c(t t r )) = c 2 t r (4.86) T 2 : (v(t r ) R(t, t r )) = (R )v + (v )R +R ( v) + v ( R) (4.87) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.27 Detta ger fyra termer t, t 2, t 3, t 4 som måste granskas. Term t : (R )v = (R x x + R y y + R z z )v (4.88) = R x x v + R y y v + R z z v (4.89) t r dv = R x x dt r + R y t r y dv t r + R z dt r z dv (4.90) dt r = a(r t r ) (4.9) där accelerationen är Term t 2 : a(t r ) dv(t r) dt r (4.92) (v )R = (v )(r(t) r (t r )) (4.93) = (v x x + v y y + v z z )(x x + yŷ + zẑ) (v )r (t r ) (4.94) = v x x + v y ŷ + v z ẑ (v )r (t r ) (4.95) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.28

= v (v )r (t r ) (4.96) = v i v xi r (t r ) x i (4.97) = v i v xi t r x i dr (t r ) dt r (4.98) = v (v t r )v(t r ) (4.99) Term t 3 : R ( v) = R ijk = R ijk ε ijk x i v k (4.00) x j t r d ε ijk x i v k (4.0) x j dt r = R ( t r a) (4.02) = R (a t r ) (4.03) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.29 Term t 4 : v ( R) = v ( r r ) (4.04) = v ( r ) (4.05) = v ( t r v) (4.06) = v (v t r ) (4.07) 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 ) (4.08) Med BAC-CAB-regeln fås nu Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.30

(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)) (4.09) = v + (R a v 2 ) t r (4.0) Gradienten av potentialen blir slutligen ϕ(r, t) = qc 4πε 0 (Rc v(t r ) R) 2 ( ) c 2 t r (v + (R a v 2 ) t r ) (4.) = qc 4πε 0 v + (c2 v 2 + R a) t r (Rc v(t r ) R) 2 (4.2) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.3 t r fås med följande resonemang. c t r = R(t r ) = R R = 2 (R R) R R (4.3) = 2(R ( R) + (R )R) 2R (4.4) = R (R ( R) + R v(r t r)) (4.5) = R (R (v t r) + R v(r t r )) (4.6) = R (R (R v(t r)) t r ) (4.7) så att R t r = Rc v(t r ) R (4.8) Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.32

Detta ger ϕ(r, t) = = qc v (c2 v 2 + R a)r/(rc v(t r ) R) (4.9) 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 (4.20) En motsvarande räkning ger också att t A(r, t) = qc 4πε 0 (Rc v(t r ) R) [(Rc v(t r) R)( v(t 3 r ) + Ra/c) ] +R(c 2 v 2 + R a)v(t r )/c (4.2) Introducera hjälpvektorn u = Rc v(t r ) (4.22) så att vi får Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.33 E(r, t) = = q R [ 4πε 0 (R u) 3 q R [ 4πε 0 (R u) 3 ] (c 2 v 2 )u + R (u a) ] (c 2 v 2 )u + (R a)u (R u)a (4.23) (4.24) För magnetfältet behövs rotorn av A: B(r, t) = A(r, t) = c 2 (v(t r)ϕ(r, t)) (4.25) = c 2 (ϕ v(t r) v ( ϕ)) (4.26) = q [ ] c 4πε 0 (R u) 3R (c 2 v 2 )v + (R a)v + (R u)a (4.27) Genom att jämföra med tidigare kan vi omvandla detta till B(r, t) = R E(r, t) = R E(r, t) (4.28) c Rc Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.34

Allmänna slutsatser: () 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 203, Kai Nordlund 4.35 Låt oss ännu skriva ner Lorentz-kraften F = q(e + v B) för laddningar i godtycklig rörelse. F(r, t) = qq R [ (c 2 v 2 )u + R (u a) 4πε 0 (R u) 3 + V ( R c [(c 2 v 2 )u + R (u a)]) ] (4.29) där Q är den andra laddningens storlek, V dess hastighet, och r dess position. Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.36

Arbetsschema: (i) Bestäm den retarderade tiden t r laddningens position är w = w(t). (ii) Bestäm R = c(t t r ). (iii) Bestäm R = r(t) w(t r ). med hjälp av relationen c(t t r ) = r w(t r ), där (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 R. Elektrodynamik, vt 203, Kai Nordlund 4.37