Elektromanyetik Teori · 10. Ünite: Potansiyeller ve Alanlar

Hareketli Yükün Alanları

Coulomb yasası yalnızca durgun yükler, Biot-Savart yasası yalnızca sürekli akımlar için geçerlidir; keyfi biçimde hareket eden tek bir noktasal yükün alanını bunlarla yazamayız. Bu bölümde Liénard-Wiechert potansiyellerinden (Griffiths 10.3.2) hareketli yükün $\vec{E}$ ve $\vec{B}$ alanlarını elde edecek, alanı yükün hızına bağlı Coulomb benzeri bir terime ($1/\mathcal{R}^2$, velocity field) ve ivmeye bağlı ışıma terimine ($1/\mathcal{R}$, acceleration field) ayıracak, sabit hızda alan çizgilerinin neden hareket doğrultusuna dik düzleme sıkıştığını göstereceğiz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Coulomb Yasası Neden Yetmez?

  2. Potansiyellerden Alanlara: Türetmenin İskeleti

  3. Genel Sonuç: Hareketli Noktasal Yükün E ve B Alanı

  4. Hız Alanı: Coulomb Benzeri 1/R² Terimi

  5. İvme Alanı: Işıma ve 1/R Terimi

  6. Sabit Hızda Hareket: Sıkışan Alan Çizgileri

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Simülasyonla Keşif

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Gecikmiş zaman (retarded time)
Alan noktasına ulaşan bilginin yükten ayrıldığı an: $t_r$, $|\vec{r}-\vec{w}(t_r)| = c\,(t-t_r)$ ile belirlenir. Hız, ivme ve ayırma vektörü bu anda değerlendirilir.
Hız alanı (velocity field)
Alanın ivmeden bağımsız, $(1-\beta^2)(\hat{\mathcal{R}}-\vec{\beta})/(\mathcal{R}^2k^3)$ ile verilen, $1/\mathcal{R}^2$ ile sönen Coulomb benzeri bileşeni; sabit hızda da vardır ve enerji ışımaz.
İvme alanı (acceleration field)
Yalnızca $\vec{a}\neq 0$ iken ortaya çıkan, $\hat{\mathcal{R}}$'ye dik ve $1/\mathcal{R}$ ile sönen ışıma bileşeni; Poynting vektörü yoluyla enerjiyi sonsuza taşır.
Larmor formülü (Larmor formula)
Yavaş hareketli ivmeli yükün toplam ışıma gücü: $P = q^2 a^2 / (6\pi\epsilon_0 c^3)$; açısal dağılımı $\sin^2\theta$ ile orantılıdır.
Lorentz çarpanı (Lorentz factor)
$\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2}$; sabit hızlı yükün alanı hareket doğrultusunda $1/\gamma^2$, dik doğrultuda $\gamma$ katına dönüşür.
Kesişim yarıçapı (crossover radius)
Işıma alanının Coulomb alanına eşit olduğu uzaklık: $\rho_\times = c^2/(a\sin\theta)$; bu yarıçapın ötesinde ışıma alanı baskındır (uzak alan).
Poynting vektörü (Poynting vector)
$\vec{S}=\vec{E}\times\vec{B}/\mu_0$; enerji akı yoğunluğu. Işıma alanı için $\vec{S}=\epsilon_0 c E^2\hat{\mathcal{R}}$ daima dışarı doğrudur.

Örnek soru

Hareketli noktasal bir yükün alanındaki hız alanı (velocity field) için aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. Yalnızca yük ivmelendiğinde vardır.
  2. Sabit hızda da vardır, $1/\mathcal{R}^2$ ile söner ve enerjiyi sonsuza taşımaz.
  3. $1/\mathcal{R}$ ile söner ve $\hat{\mathcal{R}}$ yönüne diktir.
  4. Büyük bir kürenin yüzeyinden geçen güç sıfırdan farklıdır ve yarıçaptan bağımsızdır.
  5. Yalnızca $v\ll c$ iken tanımlıdır.

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: Sabit hızda da vardır, $1/\mathcal{R}^2$ ile söner ve enerjiyi sonsuza taşımaz.
1. Genel alanın ilk terimi $(c^2-v^2)\vec{u}$ ivmeyi içermez; dolayısıyla yük sabit hızla giderken bile vardır ve $\beta\to 0$ iken Coulomb alanına indirgenir.
2. Bu terim $1/\mathcal{R}^2$ ile söner. Manyetik alan da aynı biçimde sönerse $S\propto 1/\mathcal{R}^4$ olur ve $\mathcal{R}^2$ yüzey alanıyla çarpıldığında büyük kürede güç sıfıra gider: enerji ışınmaz.
Çeldiriciler: A ve C ışıma (ivme) alanını, D ise ışımanın enerji özelliğini tarif eder; E ise yanlıştır, hız alanı her $\beta<1$ için geçerlidir.

Elektromanyetik Teori: tüm konular