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)
  1. 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} \,.}

  2. 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} .}
  3. 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).}
  4. 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).}
  5. 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

  1. Brauer, John R. Mágneses működtetők és érzékelők  : [ eng. ] . — 2014-01-13. — ISBN 9781118754979 .