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

Görüntü Yükleri Yöntemi

Bir nokta yükü topraklanmış bir iletkenin yakınına getirdiğinizde iletkendeki serbest yükler yeniden dağılır ve bu dağılım yükün kendi alanını değiştirir. Dağılımı bilmeden potansiyeli bulmak, Poisson denklemini karmaşık bir sınır üzerinde çözmek anlamına gelir. Görüntü yükleri yöntemi (method of images), eşsizlik teoremine dayanarak iletkeni ilgilendiğimiz bölgenin dışına yerleştirilmiş birkaç hayali yük ile değiştirir ve problemi Coulomb yasasına indirger. Bu konuda düzlem ve küre geometrilerinde potansiyeli, indüklenen yüzey yükünü, kuvveti ve enerjiyi Griffiths Bölüm 3.2 düzeyinde türeteceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: İletkenin Yakınındaki Yük

  2. Klasik Problem: Topraklanmış Düzlem ve Nokta Yük

  3. İndüklenmiş Yüzey Yükü

  4. Kuvvet ve Enerji

  5. Topraklanmış Küre ve Nokta Yük

  6. Genel İlke ve Geometri Çeşitleri

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Görüntü yükü (image charge)
İlgilendiğimiz bölgenin dışına yerleştirilen, sınır koşulunu sağlayan hayali yük; yalnızca bölge içinde alanı doğru verir.
Eşsizlik teoremi (uniqueness theorem)
Bölgedeki yük yoğunluğu ve sınırdaki potansiyel verildiğinde Poisson denkleminin çözümünün tek olduğunu söyler.
İndüklenmiş yüzey yükü (induced surface charge)
Dış alanın iletken yüzeyinde oluşturduğu yük dağılımı; $\sigma = -\epsilon_0\,\partial V/\partial n$.
Topraklanmış iletken (grounded conductor)
Potansiyeli $V=0$ olarak sabitlenmiş iletken; yük akışına izin verir ve sonsuz yük kaynağı gibi davranır.
Dirichlet sınır koşulu (Dirichlet boundary condition)
Sınırın her noktasında potansiyelin verilmesi; topraklı iletken için $V=0$.
Görüntü konumu
Küre için $b = R^2/a$; düzlem için ayna simetrik nokta $z = -d$.
Çekim kuvveti
İletkenin $q$ üzerine uyguladığı, $q$ ve $-q$ görüntüsü arasındaki Coulomb kuvvetine eşit olan çekici kuvvet.
Yalıtılmış küre
Topraklanmamış, net yükü sabit iletken küre; görüntü yüküne ek olarak merkezde bir yük gerektirir.

Örnek soru

Topraklanmış sonsuz iletken $z=0$ düzleminin $z = d$ noktasında $+q$ nokta yükü bulunmaktadır. $z>0$ bölgesindeki alanı bulmak için kullanılan görüntü yükü hangisidir?

  1. $+q$, $z = -d$ noktasında
  2. $-q$, $z = -2d$ noktasında
  3. $-q$, $z = -d$ noktasında
  4. $-q/2$, $z = -d$ noktasında
  5. $-q$, $z = 0$ noktasında (düzlem üzerinde)

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $-q$, $z=-d$ noktasında
1. Düzlemin her noktasında $V=0$ olmalıdır. Düzlem üzerindeki bir nokta $q$ ve görüntüye eşit uzaklıkta olmalı, yükler ise zıt işaretli ve eşit büyüklükte olmalıdır.
2. Bu koşulu yalnızca $z=0$ düzlemine göre ayna simetrik konumdaki $-q$ sağlar: $V = \dfrac{1}{4\pi\epsilon_0}\left[\dfrac{q}{r_1} - \dfrac{q}{r_2}\right]$, düzlemde $r_1=r_2$ olduğundan $V=0$ olur.
3. Eşsizlik teoremi, bu potansiyelin $z>0$ için doğru çözüm olduğunu garanti eder.
Aynı işaretli ($+q$) bir görüntü düzlemde $V=0$ yapmaz; yük düzlem üzerine ya da $-2d$'ye konursa simetri bozulur ve sınır koşulu sağlanmaz.

Elektromanyetik Teori: tüm konular