FFM232, Klassisk fysik och vektorfält

Transcription

FFM232, Klassisk fysik och vektorfält
FFM232, Klassisk fysik och vektorfält Veckans tal
Christian Forssén, Institutionen för fundamental fysik, Chalmers,
Göteborg, Sverige
Oct 2, 2015
Tentatal 2015-08-17: 3
Vektorfältet F~ ges av
(
F~ =
(~
r −aẑ)
A |~
r −aẑ|3 + B x̂,
Cz ẑ,
z > 0,
z ≤ 0,
där A, B, C och a är konstanter. Beräkna normalytintegralen av F~ över en sfär
med radien 2a och centrum i origo.
Hint.
• C-termen motsvarar en rymdkälla med källtätheten ∇ · F~C = C i nedre
halvplanet.
• B termen ger inget bidrag då den har ∇ · F~B = 0
• A-termen motsvarar en punktkälla med styrkan 4πA i punkten aẑ innanför ytan. Fältet från punktkällan existerar dock bara i övre halvplanet.
Bidraget kan beräknas på två sätt:
– Genom att räkna ut rymdvinkeln som den övre delen av sfären upptar
sett från punktkällan.
– Genom att behandla den som en punktkälla i hela rummet plus en
diskontinuitet i xy-planet, dvs en ytkälla.
Answer.
~ · dS
~ = 2πA 1 +
F
S
R
√1
5
+
16
3
3 πa C
Solution.
• C-termen, F~C = Cz ẑ (för z ≤ 0), motsvarar en rymdkälla med konstant
källtäthet ∇ · F~C = C i nedre halvplanet. Här kan vi enkelt använda Gauss
sats
Z
Z
~=
F~C · dS
∇ · F~C dV
S
V
Källtätheten är ju noll i den övre halvan av sfären så bidraget blir lika med den
konstanta källtätheten gånger volymen av en halv sfär med radien 2a.
Z
3
3
~ = C 1 4π(2a) = C 16πa .
F~C · dS
2
3
3
S
• B-termen, F~B = B x̂ (för z > 0), ger inget bidrag eftersom den inte uppvisar
någon singularitet och har ∇ · F~B = 0.
(~
r −aẑ)
• A-termen, A |~
r −aẑ|3 (för z > 0), motsvarar en punktkälla med styrkan
4πA i aẑ innanför ytan. Men fältet från punktkällan existerar bara i övre
halvplanet. Normalytintegralen kan därför räknas ut genom att beräkna
vilken rymdvinkel den övre delen av sfären upptar sett från punktkällan.
Genom att rita en
√ figur inser man att en sfär med centrum i punktkällan
och med radien 5a kommer att skära xy-planet i samma cirkel som den
ursprungliga sfären.√Cirkeln i xy-planet träffas alltså vid en vinkel θ0 som
ges av cos θ0 = −1/ 5. Den sökta rymdvinkeln är därför
Z
Ω0 =
2π
Z
0
θ0
Z
sin θdθ = 2π
dϕ
0
0
θ0
1
sin θdθ = 2π 1 + √
.
5
Alltså blir bidraget från A-termen
Z
Ω0
1
~
~
FA · dS = 4πA
= 2πA 1 + √
.
4π
5
S
Totalt får vi alltså normalytintegralen som summan av ovanstående bidrag
Z
16
1
~
~
√
F · dS = 2πA 1 +
+ πa3 C,
3
5
S
vilket alltså är svaret.
Alternativ.
• Alternativt kan vi betrakta A-termen som en punktkälla i hela rummet plus
en diskontinuitet i xy-planet vid z = 0, dvs en ytkälla som har effekten
att släcka fältet i det nedre halvplanet. Styrkan på denna ytkälla fås
från fältets diskontinuitet vid z = 0, dvs vid punkter som ligger längs
~r = ρêρ + 0ẑ,
2
ẑ · F~A+ − F~A− = A
(ρ2
−a
.
+ a2 )3/2
Bidraget från denna ytkälla skall integreras över den inneslutna ytan, dvs över
en cirkelskiva 0 ≤ ρ ≤ 2a. Detta blir
Z 2a
−a
1
.
2π
A 2
ρdρ = −2πA 1 − √
(ρ + a2 )3/2
5
0
Tillsammans med bidraget från punktkällan, dvs 4πA, blir detta
Z
1
~ = 4πA − 2πA 1 − √1
= 2πA 1 + √
.
F~A · dS
5
5
S
vilket ju ger samma som räkningen ovanför.
• Notera gärna att varken B- eller C-termerna motsvarar någon ytkälla trots
att de är definierade enbart ovanför, respektive nedanför, z = 0. C fältet
är inte diskontinuerligt eftersom det faktiskt är noll då z = 0. B-fältet har
iof en diskontinuitet,
men den är vinkelrät mot planet och skalärprodukten
ẑ · F~B+ − F~B− = 0.
Dessutom finns det en ytkälla vid z = 0-planet som bestäms av diskontinuiteten.
2
2 3/2
Man finner ytkällans
styrka
σ = −Aa/(ρ + a ) . Tillsammans blir integralen
R
~ = 2πA 1 + √1 + 16 πa3 C.
F~ · dS
S
5
3
Remarks. Uppgiften illustrerar hur det ofta är fördelaktigt att behandla
komplicerade fält som en summa av olika bidrag. Diskontinuiteten vid z = 0 är
en speciell svårighet med denna uppgift.
3

Similar documents