Elektromanyetik Teori · 1. Ünite: Vektör Analizi

Eğrisel Koordinatlar

Elektromanyetik teoride alanın ve kaynağın simetrisi çözümün zorluğunu belirler: noktasal yük küresel, sonsuz uzun tel silindirik bir simetri taşır ve Kartezyen koordinatlarda yazıldığında bu simetri görünmez olur. Bu konuda küresel $(r, \theta, \phi)$ ve silindirik $(s, \phi, z)$ koordinatları, konuma bağlı birim vektörleri, ölçek çarpanlarını, sonsuz küçük uzunluk-alan-hacim elemanlarını ve gradyan, diverjans, rotasyonel ile Laplasyen operatörlerinin bu sistemlerdeki biçimini Griffiths düzeyinde türeteceksiniz. Konunun sonunda bir problemin simetrisine uygun koordinat sistemini seçip integrali ve diferansiyel operatörleri doğru çarpanlarla yazabileceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Simetri ve Koordinat Seçimi

  2. Ortogonal Eğrisel Koordinatlar: Genel Çerçeve

  3. Küresel Koordinatlar $(r, \theta, \phi)$: Tanım ve Birim Vektörler

  4. Küresel Koordinatlarda Sonsuz Küçük Elemanlar

  5. Küresel Koordinatlarda Gradyan, Diverjans, Rotasyonel ve Laplasyen

  6. Silindirik Koordinatlar $(s, \phi, z)$

  7. Silindirik Koordinatlarda Gradyan, Diverjans, Rotasyonel ve Laplasyen

  8. Koordinat ve Bileşen Dönüşümleri, Jacobian

  9. Çözümlü Örnekler

  10. Simülasyonda Deneyin

  11. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  12. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Küresel koordinatlar (Spherical coordinates)
Noktayı orijine uzaklık $r$, $z$ ekseninden ölçülen kutupsal açı $\theta \in [0,\pi]$ ve $xy$ düzlemindeki azimut açısı $\phi \in [0,2\pi)$ ile belirleyen sistem; $d\tau = r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\phi$.
Silindirik koordinatlar (Cylindrical coordinates)
Noktayı $z$ eksenine uzaklık $s$, azimut açısı $\phi$ ve yükseklik $z$ ile belirleyen sistem; $d\tau = s\,ds\,d\phi\,dz$.
Ölçek çarpanı (Scale factor)
$u_i$ koordinatındaki $du_i$ artışının gerçek uzunluğa oranı $h_i$: küreselde $(1, r, r\sin\theta)$, silindirikte $(1, s, 1)$.
Konuma bağlı birim vektör (Position-dependent unit vector)
$\hat{r}$, $\hat{\theta}$, $\hat{\phi}$, $\hat{s}$ gibi yönü noktadan noktaya değişen birim vektörler; türev ya da integralde sabit kabul edilemez.
Diferansiyel hacim elemanı (Volume element)
Koordinatlar $du_i$ kadar artırıldığında oluşan sonsuz küçük kutunun hacmi: $d\tau = h_1h_2h_3\,du_1\,du_2\,du_3$.
Jacobian determinantı (Jacobian)
$\partial(x,y,z)/\partial(u_1,u_2,u_3)$ determinantı; değişken değiştirirken hacim elemanını çarpan $|J|$ değerini verir (küreselde $r^2\sin\theta$).
Kutupsal açı ve azimut açısı (Polar and azimuthal angle)
Fizikte $\theta$ $z$ ekseninden, $\phi$ ise $x$ ekseninden $xy$ düzlemi içinde ölçülür; matematik kitaplarında roller ters olabilir.
Katı açı (Solid angle)
Küresel yüzeyde alan elemanının $r^2$'ye bölünmüşü: $d\Omega = \sin\theta\,d\theta\,d\phi$; tüm uzay için $4\pi$ steradyan.
Ortogonal eğrisel koordinatlar (Orthogonal curvilinear coordinates)
Koordinat eğrilerinin her noktada birbirine dik olduğu sistemler; gradyan, diverjans ve rotasyonel ölçek çarpanlarıyla genel biçimde yazılır.
Koordinat tekilliği (Coordinate singularity)
Orijinde ve eksen üzerinde açıların belirsiz olması ya da birim vektörlerin tanımsız kalması; alanın kendisi düzgün olabilir.

Örnek soru

Küresel koordinatları $(r, \theta, \phi) = (4,\ 60^\circ,\ 30^\circ)$ olan noktanın Kartezyen koordinatları $(x, y, z)$ nedir? ($\theta$: $z$ ekseninden ölçülen açı)

  1. $(2\sqrt{3},\ 2,\ 0)$
  2. $(1,\ \sqrt{3},\ 2\sqrt{3})$
  3. $(\sqrt{3},\ 3,\ 2)$
  4. $(3,\ \sqrt{3},\ 2)$
  5. $(3,\ \sqrt{3},\ 2\sqrt{3})$

Doğru cevap: D

Çözüm

Cevap: $(3, \sqrt{3}, 2)$
1. $x = r\sin\theta\cos\phi = 4\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} = 3$.
2. $y = r\sin\theta\sin\phi = 4\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{1}{2} = \sqrt{3}$.
3. $z = r\cos\theta = 4\cdot\frac{1}{2} = 2$.
4. Kontrol: $x^2+y^2+z^2 = 9+3+4 = 16 = r^2$.
Yanlış seçeneklerin kaynağı: $(1,\sqrt{3},2\sqrt{3})$ açıların rolleri ($\theta \leftrightarrow \phi$) karıştırıldığında; $(\sqrt{3},3,2)$ $x$ ve $y$ için $\cos\phi$ ile $\sin\phi$'nin değiştirilmesiyle; $(3,\sqrt{3},2\sqrt{3})$ ise $z = r\sin\theta$ yazıldığında çıkar (bu durumda $r$ de $4$ olmaz).

Elektromanyetik Teori: tüm konular