פרק 2 - תנאי שפה

From EM Fields - TAU
Revision as of 20:13, 5 December 2021 by RonelM (talk | contribs)
Jump to navigation Jump to search

בפרק 2 של הקורס שדות אלקטרומגנטיים נגדיר תנאי שפה, כדי להתמודד עם בעיית אי - הרציפות שמאפיינת בעיות מסוימות.

מבוא

בפרק הקודם, הנחנו שכל השדות שנעבוד איתם הינם רציפים וגזירים, וזאת כדי לקבל קשר בין שדות למקורות בסביבה כלשהי של נקודה. ראינו כי ניתן לתאר את הקשר באופן המתמטי הבא:(E→,H→)=D^[((E→,H→)]+Sources→כך ש D^ הינו אופרטור דיפרנציאלי כלשהו.

עם זאת, בטבע קיימות תופעות רבות שאינן רציפות, ולכן נרצה לתאר גם אותן באופן מתמטי.

בדומה לפרק הקודם, אנו נבצע לוקליזציה למרחב, אך נתחשב גם בנקודות אי רציפות.

לוקליזציה סביב שפה - חוקי גאוס

תיאור הבעיה

נתון משטח S עם צפיפות מטען η, בעל אי רציפות.

נרצה לראות כיצד נראה מתנהג השדה החשמלי, מעל ומתחת למשטח.

כרגיל, נבנה מעטפת גאוסית ברדיוס R, וגובה δ.

נניח כי:δ<<R<<every other dimension in the problemכלומר, נניח שהתרומה של המעטפת זניחה ביחס לגודל הבעיה.

בנוסף נניח:

מעל המשטח S קיים שדה חשמל ϵ1 עם צפיפות מטען ρ1

מתחת למשטח S קיים שדה חשמל ϵ2 עם צפיפות מטען ρ2.

כעת, נחשב את השטף דרך הבסיס התחתון של הגליל (S1), הבסיס העליון שלו (S2), והמעטפת הגליל (S3).

חוק גאוס

∮S=∂Vϵ0E→⋅n^ds=∭ρdV=Qinנפעיל את אגף שמאל של חוק כאוס על אחד מהמשטחים S1,S2,S3:S1:∮S=∂Vϵ0E→⋅n^ds=∮S1ϵ0E→1⋅(−n^)da=−ϵ0E→1⋅n→daS2:∮S=∂Vϵ0E→⋅n^ds=∮S2ϵ0E→2⋅n^da=ϵ0E→2⋅n→daS3:∫ϵ1⋅n^~ds+∫ϵ2⋅n^~ds=F(ϵ1,ϵ2)⋅δ

כך ש F הוא מסלול על המעטפת, והשיוויון האחרון מתקיים כי שטח פני המעטפת פרופורציוני לגובה הגליל (במקרה הפשוט S=2πR≡F⋅δ).

כעת, סכום כל התרומות הינו:

S1+S2+S3:(ϵ0E→2−ϵ0E→1)⋅n^da+F(ϵ1,ϵ2)⋅δ

כאשר, מההנחה כי δ<<R<<every other dimension in the problem נסיק כי ניתן להזניח את תרומת S3 (כלומר F(ϵ1,ϵ2)).

סה"כ עד כה קיבלנו שתרומת אגף שמאל של חוק גאוס הינה:

(ϵ0E→2−ϵ0E→1)⋅n^daנמשיך עם אגף ימין של חוק גאוס (Qin):

המטען שכלוא במעטפת הגליל כולל את צפיפות המטען המשטחית η, ואת צפיפויות המטען הנפחיות ρ1,ρ2:

Qin=ηda+(∭ρ1dV+∭ρ2dV)=ηda+(G(ρ1)+G(ρ2))δ⋅daכאשר גם פה נזניח את תרומת הצפיפויות הנפחות מהטיעון של δ<<R<<every other dimension in the problem.

לכן תרומת אגף ימין של חוק גאוס הינו:

ηdaכעת, אם נשווה את שני האגפים, נקבל:

(ϵ0E→2−ϵ0E→1)⋅n^da=ηdaואחרי חלוקה ב da, נקבל:

(ϵ0E→2−ϵ0E→1)⋅n^=ηכאשר:

  • η - צפיפות המטען של משטח אי הרציפות.
  • n^ - נורמל למשטח אי הרציפות.
  • E→2 - השדה בתחום שאליו פונה n^.

נשים לב כי כל עוד η≠0 ישנה קפיצה לא רציפה ברכיב השדה החשמלי הניצב.

לוקליזציה של חוק גאוס עבור שדה מגנטי

ניתן לבצע את אותו התהליך, גם עבור השדה המגנטי ( חוג גאוס המגנטי: ∮μ0H→⋅n^dS=0), שלאחריו נקבל:

n^(μ0H→2−μ0H→1)=0

כאשר:

  • η - צפיפות המטען של משטח אי הרציפות
  • n^ - נורמל למשטח אי הרציפות
  • H→2 - השדה בתחום שאליו פונה n^.

נשיב לב, שבניגוד לתוצאה הקודמת (עבוד השדה החשמלי), קיבלנו כי אגף שמאל מתאפס. תוצאה זו לא אמור להפתיע אותנו, שכן לא קיימים מונופולים מגנטיים בטבע.

ניתן להסיק מכך, כי רכיב השדה המגנטי הניצב לשפה בהכרח רציף (H→1=H→2).

לוקליזציה סביב שפה - חוק אמפר

מקודם, השתמשנו בשני חוקי גאוס כדי למצוא קשר על השדה בין רכיבי השדה החשמלי והמגנטי הניצבים לפני המשטח,

כעת נשתמש בחוק אמפר על מנת למצוא קשר בין הרכיבים המשיקים למשטח של השדה המגנטי.

תיאור הבעיה

נתון לנו משטח S, בעל אי רציפות, שזורם בו זרם בעל צפיפות משטחים K→ .

נבנה לולאת אמפר - לולאה מלבנית עם גובה δ ואורך dL.

ונניח כי:

δ<<dL<<every other dimension in the problemבנוסף, נניח כי השדות מתחת למשטח הינם:

E→1,H→1,J→1

ומעל למשטח הם:

E→2,H→2,J→2הערה: ראינו בעבר כבר כי האיברים היחידים שתורמים לחישוב הם האיברים על השפה, האיברים בתוך הנפח אינם תורמים לחישוב.

חוק אמפר:

∮C=∂SH→⋅dl=−ϵ0∂∂t∬SE→⋅n^da+∬SJ→⋅n^da

כאשר האיבר −ϵ0∂∂t∬SE→⋅n^da נופל, כי הוא פרופורציוני ל dL.

נחשב את אגף שמאל:

בגלל ההנחה כי:

δ<<dL<<every other dimension in the problemנזניח את תרומת הצלעות הקצרות (δ) של הלולאה:

∮C=∂SH→⋅dl=H→2⋅dL→−H→1⋅dL→אגף ימין:

∬SJ→⋅n^daלאיבר קיימות שתי תרומות: תרומה מהזרם המשטחי, ותרומה נוספת מהזרם הנפחי.

נתחיל מתרומת הזרם הנפחי:

כמו שראינו מקום, תרומת הזרם הנפחי פרופורציונית ל δ, ולכן נאפס תרומה זו.

נמשיך לתרומת הזרם המשטחי:

∫K→⋅(n^×dL→)=∫K→⋅n^ldl=K→⋅(n^×dl→)=K→⋅(n^×dL→)=dL→⋅(K→×n^)כאשר n^l הוא וקטור שמוכל במשטח וניצב לעקום שלאורכו מחושב האינטגרל'

וכאשר המעבר האחרון נובע מזהות וקטורית:

a→⋅(b→×c→)=b→⋅(c→×a→)=c→⋅(a→×b→)

בסופו של דבר, נקבל:

(H→2−H→1)dL→=dL→⋅(K→×n^)נשים לב, כי בניגוש למעטפת הגאוסית, כאן קיים חופש בחירה ללולאת האמפר.

דהיינו - כל עוד הנקודה, שסביבה אנו מבצעים את האינטגרציה, נמצאת במרכז הלולאה, מסלול האינטגרציה עצמו לא ישפיע על תנאי השפה שנקבל.

נסיק מכך, כי המשוואה מתקיימת תמיד, ללא תלות ב dL→, ולכן נחלק את המשוואה הקודמת באיבר זה:

H→2−H→1=K→×n^נכפול את המשוואה שקיבלנו, ב n^× משמאל:

n^×(H→2−H→1)=n^×(k→×n^)=(n^⋅n^)K→−(n^⋅K→)n^=K→כאשר המעבר השני נובע מהזהות הבאה:

a→×(n→×b→)=(a→⋅c→)b→−(a→⋅b→)⋅c→ובמעבר האחרון איפסנו את האיבר (n^⋅K→)n^ מפני ש K→ מוכל במשטח S, ו n^ ניצב ל S.


בסופו של דבר, קיבלנו:

n^×(H→2−H→1)=K→