Elektromanyetik Teori · 7. Ünite: Elektrodinamik

Maxwell Denklemleri

Elektrik ve manyetik alanların tüm klasik davranışı dört denkleme sığar: Gauss, manyetik Gauss, Faraday ve Maxwell tarafından düzeltilen Ampère yasası. Bu bölümde Ampère yasasının neden eksik olduğunu yük korunumu üzerinden göstereceğiz, yerdeğiştirme akımını (displacement current) türeteceğiz, dört denklemi integral ve diferansiyel biçimde yazacağız, süreklilik denklemini ve arayüz sınır koşullarını çıkaracağız ve denklemleri maddede (serbest ve bağlı kaynaklar ayrımıyla) yeniden formüle edeceğiz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Dört Denkleme Giden Yol

  2. Ampère Yasasındaki Çelişki ve Yerdeğiştirme Akımı

  3. Şarj Olan Kondansatör: İki Yüzey, Tek Doğru

  4. Maxwell'in Dört Denklemi

  5. Süreklilik Denklemi ve Yük Korunumu

  6. Sınır Koşulları (Boundary Conditions)

  7. Maddede Maxwell Denklemleri

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Yerdeğiştirme akımı (Displacement current)
Maxwell'in Ampère yasasına eklediği $\mathbf{J}_d=\varepsilon_0\,\partial\mathbf{E}/\partial t$ terimi; integral biçimde $I_d=\varepsilon_0\,d\Phi_E/dt$. Yük taşımaz ama $\mathbf{B}$ üretir.
Ampère–Maxwell yasası (Ampère–Maxwell law)
$\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\mu_0\varepsilon_0\,\partial\mathbf{E}/\partial t$; manyetik alanın hem iletim akımından hem de değişen elektrik alandan doğduğunu söyler.
Maxwell denklemleri (Maxwell's equations)
Gauss (elektrik), Gauss (manyetik), Faraday ve Ampère–Maxwell yasalarından oluşan, klasik elektromanyetizmanın tamamını Lorentz kuvvetiyle birlikte tanımlayan denklem takımı.
Süreklilik denklemi (Continuity equation)
$\nabla\cdot\mathbf{J}=-\partial\rho/\partial t$; yük korunumunun yerel ifadesidir ve Maxwell denklemlerinden türetilebilir.
Sınır koşulları (Boundary conditions)
Arayüzde $E^{\perp}$ farkı $\sigma/\varepsilon_0$, $\mathbf{E}^{\parallel}$ ve $B^{\perp}$ süreklidir, $\mathbf{B}^{\parallel}$ farkı $\mu_0\,\mathbf{K}\times\hat{\mathbf{n}}$ kadardır.
Elektriksel yerdeğiştirme alanı (Electric displacement, D)
$\mathbf{D}=\varepsilon_0\mathbf{E}+\mathbf{P}$; kaynağı yalnızca serbest yüklerdir: $\nabla\cdot\mathbf{D}=\rho_f$. Doğrusal ortamda $\mathbf{D}=\varepsilon\mathbf{E}$.
Yardımcı manyetik alan (H field)
$\mathbf{H}=\mathbf{B}/\mu_0-\mathbf{M}$; dolanımı yalnızca serbest akım ve $\partial\mathbf{D}/\partial t$ ile belirlenir: $\nabla\times\mathbf{H}=\mathbf{J}_f+\partial\mathbf{D}/\partial t$.
Polarizasyon akımı (Polarization current)
$\mathbf{J}_p=\partial\mathbf{P}/\partial t$; dielektrikte dipollerin hareketinden doğan bağlı akım. $\partial\mathbf{D}/\partial t$ içinde yerdeğiştirme akımıyla birlikte bulunur.
Gevşeme zamanı (Relaxation time)
İletken ortamda fazla yükün $e^{-t/\tau}$ ile sönme süresi, $\tau=\varepsilon/\sigma$; süreklilik denklemi, Ohm ve Gauss yasalarının birleşiminden çıkar.

Örnek soru

Maxwell'in Ampère yasasına eklediği yerdeğiştirme terimini içeren ve vakumdaki doğru diferansiyel denklem aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}-\mu_0\varepsilon_0\,\dfrac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$
  2. $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\mu_0\,\dfrac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$
  3. $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\mu_0\varepsilon_0\,\dfrac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$
  4. $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\varepsilon_0\,\dfrac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$
  5. $\nabla\times\mathbf{E}=\mu_0\mathbf{J}-\dfrac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\mu_0\varepsilon_0\,\partial\mathbf{E}/\partial t$
1. Süreklilik denklemi $\nabla\cdot\mathbf{J}=-\partial\rho/\partial t$ ve Gauss yasası $\rho=\varepsilon_0\nabla\cdot\mathbf{E}$ birleşince $\nabla\cdot(\mathbf{J}+\varepsilon_0\,\partial\mathbf{E}/\partial t)=0$ bulunur.
2. Ampère yasasındaki $\mathbf{J}$, bu toplamla değiştirilir ve eşitliğin her iki yanı $\mu_0$ ile çarpılır: $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}+\mu_0\varepsilon_0\,\partial\mathbf{E}/\partial t$.
Çeldiriciler: eksi işaretli seçenek yönü ters yazar, $\partial\mathbf{B}/\partial t$ içeren seçenek Faraday yasasının terimini karıştırır, $\mu_0$'sız terim ise boyut bakımından tutarsızdır ($\mu_0\mathbf{J}$ ile aynı birimde olmaz).

Elektromanyetik Teori: tüm konular