Elektromanyetik Teori · 8. Ünite: Korunum Yasaları

Elektromanyetik Stres Tensörü

Bir yük dağılımına etki eden elektromanyetik kuvveti, yükleri tek tek toplamak yerine onları saran bir yüzeyin üzerindeki alanlardan okuyabiliriz. Maxwell stres tensörü $T_{ij}$, Lorentz kuvvet yoğunluğunun bir diverjans olarak yazılmasını sağlayan simetrik bir matristir: köşegen bileşenleri basınç ve çekmeyi, köşegen dışı bileşenleri kayma gerilmesini verir. Bu bölümde tensörü türetecek, paralel levha, yüklü kabuk ve solenoid örneklerinde kuvvetleri yüzey integraliyle hesaplayacak ve $\partial \vec{g}/\partial t = \nabla\cdot\overleftrightarrow{T} - \vec{f}$ momentum korunum yasasına ulaşacağız (Griffiths, Bölüm 8.2.3 ve 8.3).

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Kuvveti Alandan Okumak

  2. Maxwell Stres Tensörünün Türetilmesi

  3. Tensörün Anlamı: Basınç, Çekme ve Kayma

  4. Çözümlü Örnekler: Elektriksel Gerilmeler

  5. Manyetik Basınç: Solenoid Örneği

  6. Momentumun Korunumu: $\partial \vec{g}/\partial t = \nabla\cdot\overleftrightarrow{T} - \vec{f}$

  7. Simülasyonla Keşif ve Sık Yapılan Hatalar

Anahtar terimler

Maxwell stres tensörü (Maxwell stress tensor)
$T_{ij} = \varepsilon_0(E_iE_j - \tfrac12\delta_{ij}E^2) + \tfrac{1}{\mu_0}(B_iB_j - \tfrac12\delta_{ij}B^2)$. Simetrik, basınç birimli bir tensördür; diverjansı Lorentz kuvvet yoğunluğuna eşittir (statikte).
Çekiş vektörü (traction)
$\vec{t} = \overleftrightarrow{T}\cdot\hat{n}$: normali $\hat{n}$ olan yüzey elemanının birim alanına etki eden kuvvet. Elektrik alanda büyüklüğü her yönelim için $\tfrac12\varepsilon_0E^2$ dir.
Basınç ve çekme (pressure, tension)
Köşegen bileşenler. Alan çizgileri boyunca $+\tfrac12\varepsilon_0E^2$ (çekme), çizgilere dik yönde $-\tfrac12\varepsilon_0E^2$ (basınç). Manyetik alanda $\varepsilon_0E^2$ yerine $B^2/\mu_0$ gelir.
Kayma gerilmesi (shear stress)
Köşegen dışı bileşenler; yüzeye teğet kuvvet. Yüzey, alan çizgisiyle $\beta$ açısı yapıyorsa $\tau = \tfrac12\varepsilon_0E^2\sin 2\beta$.
Yüzey integrali ile kuvvet
Statik durumda $\vec{F} = \oint_{\mathcal{S}} \overleftrightarrow{T}\cdot d\vec{a}$; $d\vec{a}$ dışa doğru, kuvvet yüzeyin içindeki yüklere etki eder. Yüzeyin biçimi önemsizdir, yeter ki yükler yüzeyin üzerinde olmasın.
Manyetik basınç (magnetic pressure)
$P_B = B^2/2\mu_0$. Aynı zamanda manyetik enerji yoğunluğudur; solenoid sarımlarını dışarı iter, uçlarını içeri çeker ($F = P_B\,\pi R^2$).
Alan momentum yoğunluğu (field momentum density)
$\vec{g} = \varepsilon_0\,\vec{E}\times\vec{B} = \vec{S}/c^2$. Momentum korunumu: $\partial\vec{g}/\partial t = \nabla\cdot\overleftrightarrow{T} - \vec{f}$.
Momentum akı yoğunluğu (momentum flux density)
$-T_{ij}$: $i$ yönündeki momentumun $j$ yönüne akan birim alan ve birim zaman başına miktarı. Işınım basıncı bu akının bir yüzeye aktarılmasıdır ($P = I/c$ ya da $2I/c$).

Örnek soru

Boşlukta düzgün $\vec{E} = E_0\,\hat{z}$ alanı vardır ($\vec{B}=0$). Maxwell stres tensörünün $T_{zz}$ ve $T_{xx}$ bileşenleri sırasıyla nedir?

  1. $+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$ ve $+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$
  2. $-\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$ ve $+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$
  3. $+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$ ve $-\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$
  4. $+\varepsilon_0E_0^2$ ve $0$
  5. $-\varepsilon_0E_0^2$ ve $0$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $T_{zz}=+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$, $T_{xx}=-\tfrac12\varepsilon_0E_0^2$
1. Tanım: $T_{ij}=\varepsilon_0\big(E_iE_j-\tfrac12\delta_{ij}E^2\big)$ (manyetik alan yok).
2. $i=j=z$: $T_{zz}=\varepsilon_0\big(E_0^2-\tfrac12E_0^2\big)=\mathbf{+\tfrac12\varepsilon_0E_0^2}$. Alan çizgisi boyunca çekme vardır.
3. $i=j=x$: $E_x=0$ olduğundan $T_{xx}=\varepsilon_0\big(0-\tfrac12E_0^2\big)=\mathbf{-\tfrac12\varepsilon_0E_0^2}$. Çizgilere dik yönde basınç vardır.
Çeldiriciler: A şıkkı tüm köşegen elemanları aynı işaretli sanır; B şıkkı işaretleri ters alır; D ve E şıkları $\tfrac12$ çarpanını ve $\delta_{ij}$ terimini unutur.

Elektromanyetik Teori: tüm konular