Maxwell stressz tenzor
A Maxwell feszültségtenzor ( James Clerk Maxwellről nevezték el ) egy másodrendű szimmetrikus tenzor , amelyet a klasszikus elektromágnesességben használnak az elektromágneses erők és a mechanikai impulzus közötti kölcsönhatás ábrázolására . Egyszerű esetekben, például egy egyenletes mágneses térben szabadon mozgó ponttöltésnél, könnyen kiszámítható a töltésre ható erők a Lorentz-erőből . Bonyolultabb esetekben ez a szokásos eljárás több egyenest átívelő egyenletekkel gyakorlatilag bonyolulttá válhat. Ezért célszerű ezek közül a kifejezések közül sokat összegyűjteni a Maxwell feszültségtenzorban, és tenzoraritmetikával megtalálni a választ a problémára.
Az elektromágnesesség relativisztikus megfogalmazásában a Maxwell-tenzor az elektromágneses energia-impulzus tenzor részeként jelenik meg , amely a teljes energia-impulzus tenzor elektromágneses összetevője . Ez utóbbi az energia és a lendület sűrűségét és áramlását írja le a téridőben .
Indoklás
Az alábbiakban látható, hogy az elektromágneses erőt E és B formájában írjuk fel . A vektorszámítás és a Maxwell-egyenletek segítségével szimmetriát keresünk az E -t és B -t tartalmazó kifejezésekben , és a Maxwell-feszültségtenzor bevezetése egyszerűsíti az eredményt.
Maxwell-egyenletek SI-egységben vákuumban (referenciaként)
Név
|
Differenciálforma
|
Gauss törvénye (vákuumban)
|
|
Gauss törvénye a mágnesességre
|
|
Maxwell-Faraday egyenlet (Faraday indukciós törvénye)
|
|
Ampère körtörvénye (vákuumban) (Maxwell-korrekcióval)
|
|
- A Lorentz-erő szerint
F
=
q
(
E
+
v
×
B
)
{\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}
F
=
∫
(
E
+
v
×
B
)
p
d
τ
{\displaystyle \mathbf {F} =\int (\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )\rho \mathrm {d} \tau }
egységnyi térfogatra jutó erő az
f
=
p
E
+
J
×
B
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\rho \mathbf {E} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} \,.}

- Továbbá ρ és J helyettesíthető E és B elektromos és mágneses mezőkkel , Gauss törvénye és Ampère mágneses térkeringési tétele szerint :
f
=
ε
0
(
∇
⋅
E
)
E
+
egy
μ
0
(
∇
×
B
)
×
B
−
ε
0
∂
∂
t
E
×
B
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} \right)\mathbf {E} +{\frac {1}{\ mu _{0))}\left({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {B} \right)\times \mathbf {B} -\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{ \partial t}}\mathbf {E} \times \mathbf {B} .}

- Az időderivált átírható valami fizikailag értelmezhető dologba, nevezetesen a Poynting-vektorba . A szorzatszabály és az elektromágneses indukció Faraday törvénye a következőket adja:
∂
∂
t
(
E
×
B
)
=
∂
∂
t
E
×
B
+
E
×
∂
∂
t
B
=
∂
∂
t
E
×
B
−
E
×
(
∇
×
E
)
,
{\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t))(\mathbf {E} \times \mathbf {B} )={\frac {\partial }{\partial t))\mathbf {E} \ alkalommal \mathbf {B} +\mathbf {E} \times {\frac {\partial }{\partial t))\mathbf {B} ={\frac {\partial }{\partial t))\mathbf {E } \times \mathbf {B} -\mathbf {E} \times ({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {E} ),}
és most felülírhatjuk az f paramétert mint
f
=
ε
0
(
∇
⋅
E
)
E
+
egy
μ
0
(
∇
×
B
)
×
B
−
ε
0
∂
∂
t
(
E
×
B
)
−
ε
0
E
×
(
∇
×
E
)
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} \right)\mathbf {E} +{\frac {1}{\ mu _{0))}\left({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {B} \right)\times \mathbf {B} -\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{ \partial t))\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)-\varepsilon _{0}\mathbf {E} \times ({\boldsymbol {\nabla ))\times \mathbf {E}).}
Ezután E -vel és B
-vel kombinálva kapjuk
f
=
ε
0
[
(
∇
⋅
E
)
E
−
E
×
(
∇
×
E
)
]
+
egy
μ
0
[
−
B
×
(
∇
×
B
)
]
−
ε
0
∂
∂
t
(
E
×
B
)
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} )\mathbf {E} -\mathbf {E} \times ({ \boldsymbol {\nabla ))\times \mathbf {E} )\right]+{\frac {1}{\mu _{0))}\left[-\mathbf {B} \times \left({\) félkövér szimbólum {\nabla }}\times \mathbf {B} \right)\right]-\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t))\left(\mathbf {E} \times \ mathbf {B} \jobbra).}
![{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} )\mathbf {E} -\mathbf {E} \times ({ \boldsymbol {\nabla ))\times \mathbf {E} )\right]+{\frac {1}{\mu _{0))}\left[-\mathbf {B} \times \left({\) félkövér szimbólum {\nabla }}\times \mathbf {B} \right)\right]-\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t))\left(\mathbf {E} \times \ mathbf {B} \jobbra).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c9c7d13f0d3c2020ff30ccfd8a7df1bd93f231b7)
- Úgy tűnik, hogy a kifejezés "hiányzik" E és B szimmetriájából, ami a (∇ ⋅ B ) B beillesztésével érhető el , Gauss elektromágneses törvénye miatt :
f
=
ε
0
[
(
∇
⋅
E
)
E
−
E
×
(
∇
×
E
)
]
+
egy
μ
0
[
(
∇
⋅
B
)
B
−
B
×
(
∇
×
B
)
]
−
ε
0
∂
∂
t
(
E
×
B
)
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} )\mathbf {E} -\mathbf {E} \times ({ \boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {E} )\right]+{\frac {1}{\mu _{0}}}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {B} )\mathbf {B} -\mathbf {B} \times \left({\boldsymbol {\nabla ))\times \mathbf {B} \right)\right]-\varepsilon _{0}{\ frac {\partial }{\partial t))\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right).}
Távolítsa el a forgószeleket (amelyeket meglehetősen nehéz kiszámítani) a vektorszámítás azonosságával
egy
2
∇
(
A
⋅
A
)
=
A
×
(
∇
×
A
)
+
(
A
⋅
∇
)
A
,
{\displaystyle {\frac {1}{2}}{\boldsymbol {\nabla }}(\mathbf {A} \cdot \mathbf {A} )=\mathbf {A} \times ({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {A} )+(\mathbf {A} \cdot {\boldsymbol {\nabla }})\mathbf {A} ,}
oda vezet:
f
=
ε
0
[
(
∇
⋅
E
)
E
+
(
E
⋅
∇
)
E
]
+
egy
μ
0
[
(
∇
⋅
B
)
B
+
(
B
⋅
∇
)
B
]
−
egy
2
∇
(
ε
0
E
2
+
egy
μ
0
B
2
)
−
ε
0
∂
∂
t
(
E
×
B
)
.
{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} )\mathbf {E} +(\mathbf {E} \cdot { \boldsymbol {\nabla )))\mathbf {E} \right]+{\frac {1}{\mu _{0))}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {B } )\mathbf {B} +(\mathbf {B} \cdot {\boldsymbol {\nabla }})\mathbf {B} \right]-{\frac {1}{2}}{\boldsymbol {\nabla }}\left(\varepsilon _{0}E^{2}+{\frac {1}{\mu _{0}}}B^{2}\right)-\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t))\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right).}
![{\displaystyle \mathbf {f} =\varepsilon _{0}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} )\mathbf {E} +(\mathbf {E} \cdot { \boldsymbol {\nabla )))\mathbf {E} \right]+{\frac {1}{\mu _{0))}\left[({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {B } )\mathbf {B} +(\mathbf {B} \cdot {\boldsymbol {\nabla }})\mathbf {B} \right]-{\frac {1}{2}}{\boldsymbol {\nabla }}\left(\varepsilon _{0}E^{2}+{\frac {1}{\mu _{0}}}B^{2}\right)-\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t))\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/77ce5f8cd75df87ca2c9ef3b8af7e5ac5ccd53d0)
- Ez a kifejezés az elektromágnesesség és az impulzus minden aspektusát tartalmazza, és viszonylag könnyen kiszámítható. A Maxwell feszültségtenzor bevezetésével tömörebben írható ,
σ
én
j
≡
ε
0
(
E
én
E
j
−
egy
2
δ
én
j
E
2
)
+
egy
μ
0
(
B
én
B
j
−
egy
2
δ
én
j
B
2
)
.
{\displaystyle \sigma _{ij}\equiv \varepsilon _{0}\left(E_{i}E_{j}-{\frac {1}{2}}\delta _{ij}E^{2} \jobbra)+{\frac {1}{\mu _{0}}}\left(B_{i}B_{j}-{\frac {1}{2}}\delta _{ij}B^{ 2}\jobbra).}
Az utolsó f tag kivételével minden a Maxwell feszültségtenzor tenzordivergenciaként írható fel,
ami
:
∇
⋅
σ
=
f
+
ε
0
μ
0
∂
∂
t
S
.
{\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {\sigma ))=\mathbf {f} +\varepsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial }{\partial t))\mathbf { S}\,.}
Poynting tételéhez
hasonlóan a fenti egyenlet jobb oldalán lévő második tag az elektromágneses tér impulzussűrűségének időbeli deriváltjaként értelmezhető, míg az első tag a nagy tömegű részecskék impulzussűrűségének időbeli deriváltja. Így a fenti egyenlet lesz a lendület megmaradásának törvénye a klasszikus elektrodinamikában, ahol a Poynting-vektor kerül bevezetésre.
S
=
egy
μ
0
E
×
B
.
{\displaystyle \mathbf {S} ={\frac {1}{\mu _{0}}}\mathbf {E} \times \mathbf {B} .}

A fenti impulzusmegmaradási összefüggésben az impulzus-fluxussűrűség szerepel, és hasonló szerepet játszik, mint a Poynting-tétel .


A fenti levezetés feltételezi a ρ és J paraméterek teljes ismeretét (mind a szabad, mind a korlátozott töltések és áramok). Nemlineáris anyagok (például mágnesvas BH-görbével (fluxussűrűséggörbe)) esetén nemlineáris Maxwell feszültségtenzort kell használni. [egy]
Egyenlet
A fizikában a Maxwell feszültségtenzor egy elektromágneses mező feszültségtenzora . Amint azt fentebb az SI-egységekben megállapítottuk , ez a következőképpen definiálható:
ahol ε 0 az elektromos állandó , μ 0 a mágneses állandó , E az elektromos tér , B a mágneses tér és δ ij a Kronecker - delta . Gauss-féle CGS-egységekben ez a következőképpen definiálható:
ahol H a mágnesező tér .
Egy másik módja ennek a tenzornak a kifejezésére:
ahol ⊗ a diád szorzata , az utolsó tenzor pedig az egységdiád:

A Maxwell feszültségtenzor ij eleme egységnyi terület egységnyi impulzussal rendelkezik egységnyi idő alatt, és a j -edik tengelyre merőleges felületet (negatív irányban) keresztező i- edik tengellyel párhuzamos lendületi fluxust egységnyi idő alatt.
Ezeket az egységeket úgy is felfoghatjuk, mint az egységnyi területre eső erőegységeket (negatív nyomás), és a tenzor ij eleme az i tengellyel párhuzamos erőként is értelmezhető, amely a j tengelyre merőleges felületre hat, per Mértékegység. terület. Valójában az átlós elemek a területi differenciálelemre ható feszültséget (feszítést, nyújtást) a normál mentén a megfelelő tengelyre állítják be. Ellentétben az ideális gáz nyomása által okozott erőkkel, az elektromágneses térben a területelem is olyan erőt fejt ki, amely nem az elem normálja mentén irányul. Ezt az eltolódást a feszültségtenzor nem diagonális elemei adják.
Csak mágnesesség
Ha a mező csak mágneses (ami nagyrészt igaz például a motorokra), akkor néhány kifejezés kiesik, és az SI-egységben megadott egyenlet így alakul:
Hengeres objektumok, például motorrotor esetében ez a kifejezés leegyszerűsödik:
ahol r a radiális (a hengeren kívüli) irányú eltolódás, t a tangenciális (a henger körüli) irányú eltolódás. Ez a motort forgató tangenciális erő. B r a sugárirányú fluxussűrűség, B t pedig a tangenciális irányú fluxussűrűség.
Az elektrosztatikában
Az elektrosztatikában a mágnesesség hatásai hiányoznak. Ebben az esetben a mágneses tér eltűnik, és megkapjuk a Maxwell elektrosztatikus feszültségtenzort . Összetevők formájában adják meg

és szimbolikus formában
ahol egy megfelelő azonosságtenzor (általában ).


Sajátérték
A Maxwell feszültségtenzor sajátértékeit a következő kifejezés határozza meg:
Ezeket a sajátértékeket a mátrix determináns lemma iteratív alkalmazásával kapjuk a Sherman-Morrison formulával kombinálva.
Figyelembe véve, hogy a karakterisztikus egyenletmátrix felírható így

ahol
telepítünk
A mátrix determináns lemmát egyszer alkalmazva a következőt kapjuk:
Újbóli alkalmazása ad
A kifejezés jobb oldalán található utolsó szorzóból azonnal kiderül, hogy ez az egyik sajátérték.

Az inverz meghatározásához a Sherman-Morrison képletet használjuk:

A determináns tag faktorizálása után meg kell találnunk a racionális függvény nulláit:

Így ha egyszer eldöntjük
két másik sajátértéket kapunk.
Lásd még
Linkek
- ↑ Brauer, John R. Mágneses működtetők és érzékelők : [ eng. ] . — 2014-01-13. — ISBN 9781118754979 .
- David J. Griffiths, "Bevezetés az elektrodinamikába", 351–352. o., Benjamin Cummings Inc., 2008
- John David Jackson, "Classical Electrodynamics, 3rd Edition", John Wiley & Sons, Inc., 1999.
- Richard Becker, "Electromagnetic Fields and Interactions", Dover Publications Inc., 1964.