Elektromanyetik Teori · 3. Ünite: Potansiyeller (Özel Teknikler)

Değişkenlerine Ayırma Yöntemi

Yük dağılımının serbest olmadığı, yalnızca sınırlardaki potansiyelin bilindiği problemlerde Laplace denklemi $\nabla^2 V = 0$ nasıl çözülür? Değişkenlerine ayırma (separation of variables) yöntemi, kısmi diferansiyel denklemi her biri tek değişkenli adi diferansiyel denklemlere indirger; sınır koşullarını ise Fourier (ya da Legendre) serisinin ortogonalliği ile uydurur. Bu konuda dikdörtgen kutuda ve küresel koordinatlarda çözümü baştan kuracak, katsayıları Fourier hilesiyle (Fourier's trick) hesaplayacak, eksenel simetrili örnekleri çözecek ve serinin neden kutunun içinde hızlı, sınırda ise yavaş (Gibbs olayıyla) yakınsadığını göreceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Sınır Değer Problemleri ve Eşsizlik

  2. Kartezyen Koordinatlarda Ayırma

  3. Dikdörtgen Kutuda Sınır Değer Problemi ve Fourier Hilesi

  4. Küresel Koordinatlarda Ayırma ve Legendre Polinomları

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Yakınsama, Gibbs Olayı ve Yorumlama

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Özet ve Sonraki Konularla Bağlantı

Anahtar terimler

Değişkenlerine Ayırma (Separation of Variables)
Kısmi diferansiyel denklemin çözümünü $V=X(x)Y(y)$ gibi tek değişkenli fonksiyonların çarpımı olarak arayıp her değişken için ayrı adi diferansiyel denklem elde etme yöntemi.
Ayırma Sabiti (Separation Constant)
Her biri farklı bir değişkene bağlı iki terimin toplamı sıfır olduğunda ikisinin de eşit olduğu sabit ($\mp k^2$ ya da $l(l+1)$); işareti ve izinli değerleri sınır koşulları belirler.
Sınır Değer Problemi (Boundary Value Problem)
Bölgenin sınırındaki potansiyel (Dirichlet) ya da türevi (Neumann) verilip bölge içinde diferansiyel denklemin çözülmesi problemi; Laplace denklemi için çözüm eşsizdir.
Fourier Hilesi (Fourier's Trick)
Seriyi bir taban fonksiyonu ile çarpıp tüm aralıkta integre ederek ortogonallik sayesinde yalnızca tek bir katsayıyı bırakma yöntemi: $c_n=\frac{2}{a}\int_0^a f(x)\sin\frac{n\pi x}{a}\,dx$.
Ortogonallik (Orthogonality)
$\int_0^a \sin\frac{n\pi x}{a}\sin\frac{n'\pi x}{a}dx=\frac{a}{2}\delta_{nn'}$ ve $\int_{-1}^{1}P_lP_{l'}dx=\frac{2}{2l+1}\delta_{ll'}$ gibi, farklı indisli taban fonksiyonlarının iç çarpımının sıfır olması.
Legendre Polinomları (Legendre Polynomials)
Eksenel simetrik Laplace denkleminin açısal çözümü olan, $x=\cos\theta\in[-1,1]$ üzerinde ortogonal $P_l(x)$ polinomları; $P_0=1$, $P_1=x$, $P_2=\frac{1}{2}(3x^2-1)$.
Eksenel Simetri (Azimuthal Symmetry)
Potansiyelin $\phi$ açısından bağımsız olması; Laplace denklemi yalnız $r$ ve $\theta$ içerir ve genel çözüm $\sum_l (A_l r^l + B_l r^{-(l+1)})P_l(\cos\theta)$ olur.
Gibbs Olayı (Gibbs Phenomenon)
Süreksiz bir fonksiyonun Fourier kısmi toplamlarının süreksizlik yakınında sıçrama büyüklüğünün yaklaşık %8,95'i kadar taşması; terim sayısı artınca taşma bölgesi daralır ama yüksekliği azalmaz.
Eşsizlik Teoremi (Uniqueness Theorem)
Bir bölgenin tüm sınırında potansiyel (ya da iletkenlerde toplam yük) verilmişse Laplace/Poisson denkleminin çözümünün tek olması; herhangi bir yolla bulunan geçerli çözüm doğru çözümdür.
Kısmi Toplam (Partial Sum)
Sonsuz serinin ilk $N$ teriminin toplamı; yakınsama hızı sınır fonksiyonunun düzgünlüğüne ve gözlem noktasının sınıra uzaklığına bağlıdır.

Örnek soru

Dikdörtgen bir kutuda $x=0$ ve $x=a$ duvarları topraklıdır ($V=0$). $V(x,y)=X(x)Y(y)$ ayırması yapıldığında $X(x)$ için kabul edilebilir çözüm hangisidir?

  1. $X = Ae^{kx} + Be^{-kx}$ ($k$ gerçek ve sıfırdan farklı)
  2. $X = A\cosh kx$
  3. $X = A\sin\dfrac{n\pi x}{a}$, $n = 1, 2, 3, \dots$
  4. $X = Ax + B$ ($A\neq 0$)
  5. $X = A\cos\dfrac{n\pi x}{a}$, $n = 1, 2, 3, \dots$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: C
1. Uçlarda $X(0)=X(a)=0$ olmalıdır. Salınımlı genel çözüm $X=A\sin kx + B\cos kx$ biçimindedir.
2. $X(0)=0$ koşulu $B=0$ verir (kosinüs elenir, E yanlış). $X(a)=0$ koşulu $\sin ka=0$ yani $k_n = n\pi/a$ verir.
3. Üstel ya da $\cosh$ çözümleri (A, B) iki ayrı noktada sıfır olamaz; doğrusal çözüm (D) ise iki uçta sıfırsa her yerde sıfırdır.
Sonuç: $X_n = \sin(n\pi x/a)$. Ayırma sabiti bu yüzden $k_n = n\pi/a$ ile kuantalanır.

Elektromanyetik Teori: tüm konular