Elektromanyetik Teori · 1. Ünite: Vektör Analizi

İntegral Hesabı

Elektromanyetik teorinin yasaları iki biçimde yazılır: noktasal (diferansiyel) ve bütünsel (integral) biçim. İkisi arasındaki köprüyü çizgi (line), yüzey (surface) ve hacim (volume) integralleri ile bunları birbirine bağlayan üç teorem kurar: gradyan teoremi, Stokes teoremi ve diverjans teoremi. Bu konunun sonunda bir vektör alanının iş, akı ve toplam yük gibi bütünsel büyüklüklerini hesaplayabilecek, bir integrali sınırındaki daha basit integrale çevirmeyi seçebileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Neden İntegral Formu?

  2. Çizgi İntegrali (Line Integral)

  3. Yüzey İntegrali (Surface Integral)

  4. Hacim İntegrali (Volume Integral)

  5. Analizin Temel Teoremi ve Gradyan Teoremi

  6. Stokes ve Diverjans Teoremleri

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Teorem Seçimi ve Hesap Stratejisi

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Sonraki Konularla Bağlantı

Anahtar terimler

Çizgi integrali (line integral)
Bir vektör alanının bir yol boyunca yola paralel bileşeninin toplamı, $\int \vec{v}\cdot d\vec{l}$. Kuvvet alanında iş, elektrik alanında potansiyel farkı verir.
Yüzey integrali ve akı (surface integral, flux)
Bir vektör alanının yüzeye dik bileşeninin toplamı, $\Phi=\int\vec{v}\cdot d\vec{a}$. Yüzeyden geçen alan çizgisi sayısıyla orantılıdır.
Hacim integrali (volume integral)
Bir skaler fonksiyonun hacim üzerinde toplanması, $\int T\,d\tau$. Yoğunluk fonksiyonları için toplam miktarı verir.
Gradyan teoremi (gradient theorem)
$\int_a^b\nabla T\cdot d\vec{l}=T(b)-T(a)$. Gradyan alanların çizgi integrali yoldan bağımsızdır, kapalı yolda sıfırdır.
Stokes teoremi (Stokes' theorem)
Rotasyonelin yüzey integrali, yüzeyi çevreleyen kapalı eğri üzerindeki çizgi integraline eşittir.
Diverjans teoremi (divergence theorem)
Diverjansın hacim integrali, hacmi çevreleyen kapalı yüzeyden dışarı çıkan net akıya eşittir.
Korunumlu alan (conservative field)
Çizgi integrali yoldan bağımsız olan, yani bir skaler potansiyelin gradyanı olarak yazılabilen alan; $\nabla\times\vec{v}=0$ olmalıdır.
Yönelim (orientation)
Yüzey normalinin ve sınır eğrisinin dolanma yönünün sağ el kuralıyla uyumlu seçilmesi. Kapalı yüzeyde normal dışa doğrudur.

Örnek soru

Sabit bir $\vec{F}=4\,\hat{x}\ \text{N}$ kuvveti etkisindeki bir parçacık, $(0,0)$ noktasından $(3,2)\ \text{m}$ noktasına düz bir çizgiyle götürülüyor. Kuvvetin yaptığı iş kaç joule'dür?

  1. 0
  2. 8
  3. 12
  4. 14,4
  5. 20

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $12\ \text{J}$
1. Kuvvet sabit olduğundan çizgi integrali $W=\int\vec{F}\cdot d\vec{l}=\vec{F}\cdot\Delta\vec{r}$ olur (yoldan bağımsızdır).
2. $\Delta\vec{r}=3\,\hat{x}+2\,\hat{y}$ olduğundan $W=4\cdot 3+0\cdot 2=\mathbf{12\ \text{J}}$.
Yalnızca $x$ bileşeni iş yapar. $8\ \text{J}$ yanlış bileşeni ($\Delta y$) kullanmaktan, $14{,}4\ \text{J}$ ise $F\,|\Delta\vec{r}|=4\sqrt{13}$ yazıp $\cos\theta$ çarpanını unutmaktan gelir.

Elektromanyetik Teori: tüm konular