Maksvelove jednacine.pdf - KTiOS
Maksvelove jednacine.pdf - KTiOS
Maksvelove jednacine.pdf - KTiOS
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine predstavljaju matematičku formulaciju osnovnih postulata teorije makroskopskog<br />
elektromagnetskog polja koji u elektromagnetici igraju istu ulogu kao Njutnovi postulati u klasičnoj<br />
mehanici. Naziv su dobile po škotskom fizičaru Džejmsu Maksvelu koji je 1864. godine objavio prvi put rad<br />
sa jednačinama koje objašnjavaju elektromagnetske pojave. Kompletan sistem Maksvelovih jednačina sadrži<br />
četiri jednačine koje povezuju četiri vektora polja , , i , vektor gustine struje i gustinu električnih<br />
opterećenja .<br />
Integralni oblik Maksvelovih jednačina elektromagnetskog polja<br />
Integralni oblik Maksvelovih jednačina elektromagnetskog polja dat je u tabeli koja sledi.<br />
Naziv jednačine Jednačina<br />
Gausov zakon (zakon<br />
električnog fluksa)<br />
Gausov zakon magnetizma<br />
(zakon održanja magnetskog<br />
fluksa)<br />
Faradejev zakon<br />
elektromagnetne indukcije<br />
1<br />
· <br />
<br />
<br />
· 0<br />
<br />
· <br />
·<br />
Uopšteni Amperov zakon · <br />
·<br />
Ovim jednačinama treba dodati i jednačinu kontinuiteta koja izražava nemogućnost stvaranja ili uništavanja<br />
električnih opterećenja u makroskopskim razmerama, tzv. zakon održanja električnih opterećenja<br />
(naelektrisanja). Jednačina kontinuiteta glasi<br />
U nastavku će biti objašnjene sve ove jednačine.<br />
Neke korisne relacije:<br />
·
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Značenje simbola i SI merne jedinice pomenutih veličina su dati u sledećoj tabeli.<br />
Simbol Značenje SI jedinica mere<br />
Vektor jačine električnog polja<br />
<br />
ili<br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Vektor jačine magnetskog polja<br />
<br />
Vektor (di)električnog pomeraja ili vektor električne indukcije ili vektor<br />
gustine električnog fluksa<br />
Vektor magnetske indukcije ili vektor gustine magnetskog fluksa ili <br />
Gustina naelektrisanja (zapreminskog)<br />
Specifična provodnost materijala<br />
Gustina električne struje<br />
Deo površine po kojoj se integrali <br />
Deo prostora obuhvaćenog zatvorenom površinom <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Deo krive koja okružuje površinu <br />
Permitivnost vakuuma ili (di)električna konstanta vakuuma<br />
<br />
8,85419 · 10<br />
<br />
Relativna permitivnost dielektrika<br />
Permitivnost dielektrika ili (di)električna kontstanta dielektrika<br />
<br />
Permeabilnost vakuuma ili magnetska konstanta<br />
<br />
4 · 10<br />
<br />
Relativna permeabilnost<br />
Permeabilnost (apsolutna)<br />
Vektor električne polarizacije<br />
Vektor magnetizacije<br />
Gausov zakon – zakon električnog fluksa<br />
Gausov zakon daje zavisnost električnog fluksa koji izvire iz neke zatvorene površine od naelektrisanja koje<br />
se nalazi unutar te površine. Ime je dobio po nemačkom fizičaru Gausu (Karl Friedrich Gauss, 1777 – 1855).<br />
Zamislimo da se punktualno električno opterećenje nalazi unutar domena ograničenog proizvoljnom<br />
zatvorenom površinom (slika 1), čija je pozitivna normala orijentisana napolje. Vektor električnog polja<br />
uopšte ima različit intenzitet u raznim tačkama površine i različito je orijentisan u odnosu na normalu. Kroz<br />
svaki element površine vektor stvara elementarni fluks, koji je definasan proizvodom<br />
cos <br />
gde je ugao koji vektor zaklapa sa pozitivnom normalom, a projekcija vektora na normalu.<br />
Slika 1. Uz izvođenje Gausove teoreme
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Ako se sa obeleži vektor čiji je intenzitet jednak površini , a pravac i smer mu se poklapaju sa pravcem<br />
i smerom pozitivne normale na tu površinu, tada se elementarni fluks, koji će se obeležavati sa , može<br />
pisati u vidu skalarnog proizvoda<br />
· <br />
Ukupni izlazni fluks kroz zatvorenu površinu je dat površinskim integralom<br />
Kako je<br />
· <br />
<br />
1<br />
4 elementarni fluks dobija oblik<br />
<br />
<br />
4 4 gde je cos projekcija elementarne površine na ravan upravnu na poteg što spaja punktualno<br />
opterećenje sa elementarnom površinom. Kako je, s druge strane, elementarni telesni ugao Ω, pod kojim se<br />
vide površine i , definisan odnosom (definicija prostornog ugla)<br />
<br />
<br />
može se pisati<br />
<br />
<br />
4 Ukupni izlazni fluks kroz zatvorenu površinu je, prema tome,<br />
<br />
4 <br />
3<br />
<br />
<br />
<br />
Ovaj izraz predstavlja Gausovu teoremu, izvedenu za slučaj usamljenog punktualnog opterećenja. Izlazni<br />
fluks vektora jačine električnog polja kroz zatvorenu površinu jednak je količniku električnog opterećenja i<br />
dielektrične konstante. Vrednost fluksa ne zavisi ni od oblika zatvorene površine, ni od položaja punktualnog<br />
opterećenja koje je njom obuhvaćeno.<br />
Ako površina obuhvata proizvoljno lociranih punktualnih opterećenja, ukupni fluks je jednak<br />
algebarskom zbiru parcijalnih fluksova što ih stvaraju pojedina opterećenja:<br />
· 1<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Kada su električna opterećenja kontinualno raspodeljena i njihov raspored određen funkcijom gustine<br />
naelektrisanja , Gausova teorema se piše u obliku<br />
· 1<br />
<br />
<br />
<br />
gde zapreminski integral treba računati po domenu koji obuhvata zatvorena površina S.<br />
Poslednji izraz predstavlja najopštiju formulaciju Gausove teoreme koja važi za svaki sistem opterećenja u<br />
vakuumu: izlazni fluks vektora električnog polja kroz proizvoljnu zatvorenu površinu jednak je količniku<br />
ukupne količine električnih opterećenja, obuhvaćenim tom površinom, i dielektrične konstante.
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
U slučaju linearnih homogenih dielektrika, permitivnosti , važi relacija<br />
<br />
je gustina struje dielektričnog pomeraja u amperima po kvadratnom metru.<br />
Na osnovu ovoga uopšteni Gausov zakon u integralnom obliku se može pisati<br />
· <br />
Ova jednačina je uvršćena u skup Maksvelovih jednačina elektromagnetskog polja.<br />
<br />
Ovaj zakon ima mnogo primena koje se uglavnom mogu podeliti u dve grupe. U prvu grupu spadaju<br />
izračunavanja vektora D i E u izvesnim prostim, ali važnim slučajevima. Ti slučajevi se odlikuju jako<br />
izraženom simetrijom, koja osigurava da je vektor D u svim tačkama poznatog pravca i smera, ali<br />
nepoznatog intenziteta u funkciji koordinata. Tada se pomoću uopštenog Gausovog zakona može odrediti<br />
zavisnost intenziteta od odgovarajuće koordinate. U drugu grupu primena spadaju dokazi izvesnih opštih<br />
osobina elektrostatičkih polja.<br />
Gausov zakon se može iskoristiti za dokazivanje da ukoliko unutar Faradejevog kaveza nema naelektrisanja,<br />
onda unutar kaveza nema ni električnog polja. Odnosno, spoljnje električno polje ne može prodreti u<br />
Faradejev kavez, već se polje unutar kaveza može stvoriti samo usled naelektrisanja koja se nalaze u njemu.<br />
Gausov zakon je elektrostatički ekvivalent Amperovog zakona koji se bavi magnetizmom.<br />
Zakon održanja magnetskog fluksa (Gausov zakon magnetizma)<br />
Fluks vektora magnetske indukcije se kraće naziva magnetski fluks. To je jedna od najvažnijih veličina u<br />
teoriji elektromagnetskih polja, i to ne samo kao računska veličina pomoću koje se mogu jednostavno<br />
formulisati izvesni fundamentalni zakoni, već i kao veličina koja je vrlo lako dostupna direktnom merenju 1 .<br />
Fluks vektora kroz neku površinu , koja se oslanja na konturu (slika 2), definiše se površinskim<br />
integralom<br />
cos,<br />
<br />
<br />
gde je vektor čiji je intenzitet jednak elementarnoj površini , a ima pravac i smer normale na tu<br />
površinu. Pozitivan smer normale određuje se po pravilu desne zavojnice u odnosu na proizvoljno izabrani<br />
pozitivan smer obilaženja po konturi.<br />
Slika 2. Uz izračunavanje magnetskog fluksa kroz površ <br />
1 Prof. dr Jovan Surutka, “Elektromagnetika”, treće izdanje, Građevinska Knjiga, Beograd 1971, pogl. 13.3.1, str. 336<br />
4
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Fluks vektora podleže veoma važnom zakonu o konzervaciji fluksa koji je jedan od osnovnih zakona<br />
teorije elektromagnetskih polja. Prema ovom zakonu, izlazni fluks vektora kroz ma koju zatvorenu<br />
površinu jednak je nuli:<br />
· 0<br />
<br />
Ustvari, ovaj zakon iziskuje princip neprekidnosti linija vektora magnetske indukcije, koje nigde nemaju ni<br />
početka ni kraja, već se zatvaraju same u sebe. Za razliku od polja vektora elektrostatičke indukcije, polje<br />
vektora je bezizvorno, što je i razumljivo, s obzirom da u prirodi ne postoje magnetske mase (opterećenja).<br />
Ispravnost principa neprekidnosti, odnosno zakona o konzervaciji fluksa magnetske indukcije, će se pokazati<br />
ogledom. Ovaj zakon podjednako važi za homogenu kao i za nehomogenu sredinu, za magnetska polja<br />
proizvedena makroskopskim električnim strujama kao i za polja permanentnih magneta. Do prve spoznaje o<br />
neprekidnosti linija magnetske indukcije došlo se na osnovu proučavanja spektara magnetskog polja<br />
električnih struja u vakuumu, gde se pokazuje u svim slučajevima bez izuzetka da su linije magnetske<br />
indukcije zatvorene, tj. da nemaju ni početka ni kraja. Ilustracije radi, na slici 3 su prikazani spektri linija<br />
magnetske indukcije što ih stvaraju struje u tankim provodnicima proste geometrije (prav provodnik, kružna<br />
kontura, solenoid i torusni namotaj). Imajući u vidu da se, prema današnjim shvatanjima, namagnećenost<br />
permanentnih magneta i uopšte uticaj magnetika na magnetsko polje objašnjava postojanjem elementarnih<br />
struja u atomima i molekulima materije, princip neprekidnosti se može uopštiti i na magnetska polja u<br />
materijalnim sredinama. Naime polazeći od fizički korektne predstave o elementarnim strujama, magnetsko<br />
polje u materiji se može tretirati kao polje u vakuumu pri čemu uticaj materije treba zameniti uticajem<br />
unutrašnjih elementarnih struja.<br />
Slika 3. Spektri linija magnetske indukcije<br />
Na slici 4 je šematski prikazan ogled kojim se neposredno i na jednostavan način dokazuje važenje principa<br />
neprekidnosti (odnosno zakon o konzervaciji fluksa) i u slučaju heterogene sredine. Na slici je prikazan<br />
torusni namotaj sa feromagnetskim jezgrom, koje je na jednom mestu presečeno, tako da postoji vazdušni<br />
procep male debljine. Ako se probni navoj instrumenta za merenje magnetskog fluksa, fluksmetra 2 , koji<br />
obuhvata torusni namotaj, pomera duž ose torusa, konstatuje je se da je fluks vektora isti u svim<br />
presecima, pa i na mestu gde se nalazi vazdušni procep. Apstrahujući malo rasipanje u okolini procepa,<br />
2<br />
Princip rada fluksmetra: Prof. dr Jovan Surutka, “Elektromagnetika”, treće izdanje, Građevinska Knjiga, Beograd 1971,<br />
pogl. 13.3.1, str. 336<br />
5
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
proizilazi da magnetska indukcija u jezgru i procepu ima istu vrednost. To znači da linije magnetske<br />
indukcije prolaze kroz vazdušni procep bez prekidanja i da se zatvaraju same u sebe.<br />
Faradejev zakon elektromagnetne indukcije<br />
Slika 4. Fluks vektora meren fluksometrom<br />
Vremenski promenljiva magnetska polja izazivaju pojavu promenljivih električnih i magnetskih polja. Ova<br />
uzajamna povezanost vremenski promenljivih električnih i magnetskih polja ukazuje da su električno i<br />
magnetsko polje dva vida jednog jedinstvenog polja, koje se naziva elektromagnetsko polje.<br />
Uzajmnu povezanost ovih polja prvi je primetio engleski fizičar Majkl Faradej. On je 1831. godine na<br />
osnovu niza ekperimenata, otkrio i kvantitativno formulisao zakon elektromagnetske indukcije, jedan od<br />
osnovnih i najvažnijih zakona elektrodinamike i elektrotehnike. Zanimljivo je da je Faradej do ovog otkrića<br />
došao skoro slučajno, nastojeći da eksperimentalno dokaže jednu pogrešnu naučnu hipotezu. Neposredno<br />
posle otkrića Ersteda i Ampera da stacionarna električna struja stvara magnetsko polje, Faradej je pokušao da<br />
otkrije suprotan efekat, tj. da pomoću stalnog magnetskog polja izazove stacionarnu električnu struju u kolu<br />
koje prožima magnetsko polje. Poveden ovom idejom, Faradej je konstruisao dva kalema i, postavivši ih u<br />
neposrednu blizinu, kroz jedan od njih (primar) propuštao jaku jednosmernu struju. Stalno magnetsko polje<br />
primara, koji je u ovom eksperimentu igrao ulogu elektromagneta, trebalo je, prema očekivanju, da u<br />
sekundarnom kolu izazove stalnu jednosmernu struju. Iako je očekivani efekat izostao, Faradej je primetio da<br />
se prilikom uspostavljanja i isključivanja struje u primaru i sekundaru javljaju kratkotrajne prelazne struje<br />
suprotnog smera. Pojavu ovih tzv. indukovanih struja u sekundaru Faradej je zapazio i prilikom menjanja<br />
relativnog položaja primara u odnosu na sekundar, pri čemu je struja u primaru-elektromagnetu održavana<br />
konstantnom. Sličan efekat indukcije u sekundaru zapazio je kada je primar zamenio stalnim magnetom i<br />
menjao relativni položaj magneta i sekundarnog kola.<br />
Analizirajući na prvi pogled raznolike okolnosti pod kojima dolazi do pojave elektromagnetne indukcije,<br />
Faradej dolazi do zaključka da je uzrok indukcije u svim slučajevima promena magnetskog fluksa kroz<br />
posmatranu provodnu konturu, a da je intenzitet indukovane struje srazmeran brzini promene fluksa. Način<br />
na koji se ostvaruje ova promena je potpuno irelevantan. Ona može da bude ostvarena menjanjem pobudne<br />
struje u sistemu koji stvara magnetsko polje, pomeranjem ovog sistema u odnosu na provodnu konturu ili<br />
deformacijom i pomeranjem konture u nepromenljivom magnetskom polju. U opštem slučaju, promena<br />
fluksa može nastati i kao rezultat simultanog dejstva dva ili više pobrojanih faktora. Isto tako, promene<br />
fluksa mogu nastati i zbog promena struje u posmatranoj konturi (samoindukcija).<br />
Indukovana struja, koja se javlja u zatvorenoj provodnoj konturi prilikom menjanja fluksa, posledica je<br />
indukovane elektromotorne sile koja postoji i u slučaju kada je kontura prekinuta. S obzirom da Faradej, iako<br />
genijalni eksperimentator, nije vladao jezikom vektorske analize, on svoj zakon nije iskazivao u<br />
matematičkoj formi. Nojman je 1845. godine dao matematičku formulaciju Faradejevog zakona, koja glasi:<br />
6
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Indukovana elektromotorna sila (ems) u zatvorenoj konturi je srazmerna negativnom diferencijalnom<br />
količniku priraštaja magnetskog fluksa i odgovarajućeg priraštaja vremena. Dakle,<br />
<br />
<br />
Znak „minus“ na desnoj strani predstavlja matematički iskaz Lencovog pravila, prema kome indukovana<br />
struja uvek ima takav smer da svojim poljem teži da spreči promenu fluksa, koja je prouzrokovala indukciju.<br />
Pri pozitivnim priraštajima fluksa smer indukovane ems je suprotan pozitivnom smeru obilaženja po konturi<br />
prema kome se određuje algebarski znak fluksa (po pravilu desne zavojnice).<br />
Prilikom procesa elektromagnetske indukcije u konturi, ili nekim njenim delovima, indukuje se električno<br />
polje, , čiji je linijski integral, uzet po zatvorenoj konturi, jednak ems, odnosno<br />
Pošto je<br />
Faradejev zakon se može pisati u obliku<br />
·<br />
<br />
<br />
<br />
· <br />
<br />
<br />
<br />
Izraz na desnoj strani predstavlja totalni izvod fluksa po vremenu, pri čemu promene fluksa mogu nastati bilo<br />
zbog promena magnetske indukcije, bilo zbog promena oblika, orijentacije ili položaja konture.<br />
Lako se može pokazati 3 da se u opštem slučaju totalni izvod fluksa po vremenu može predstaviti u obliku<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
gde je brzina pojedinih elemenata konture u odnosu na posmatrača. Prvi član na desnoj strani<br />
predstavlja brzinu promene fluksa zbog menjanja indukcije , a drugi brzinu promene fluksa zbog pomeraja<br />
i deformacije konture .<br />
Prema tome izraz za indukovanu elektromotornu silu u opštem slučaju ima oblik<br />
· <br />
<br />
<br />
<br />
(1)<br />
<br />
<br />
<br />
Prvi član predstavlja indukovanu ems zbog promena magnetske indukcije, a drugi ems kao posledicu<br />
deformacije i pomeranja provodne konture u magnetskom polju. U specijalnom slučaju, kada je kontura<br />
nepokretna, a menja se magnetsko polje, može se pisati<br />
· <br />
<br />
<br />
(2)<br />
<br />
<br />
Kada se kontura kreće u nepromenljivom magnetskom polju, indukovana ems se određuje po formuli<br />
· <br />
<br />
3 Prof. dr Jovan Surutka, “Elektromagnetika”, treće izdanje, Građevinska Knjiga, Beograd 1971, str. 332‐333<br />
7<br />
<br />
<br />
(3)
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Pošto nastaje zbog relativnog kretanja konture u odnosu na sistem koji stvara magnetsko polje,<br />
elektromagnetska indukcija u ovom drugom slučaju se naziva dinamičkom indukcijom.<br />
Jačina rezultantnog polja u nekoj tački provodne konture je geometrijski zbir indukovanog polja i polja<br />
koje potiče od kvazistacionarnih električnih opterećenja. Pošto je linijski integral polja po zatvorenoj<br />
konturi jednak nuli, polje se u jednačinama (1), (2) i (3) može zameniti rezultantnim poljem . Prema<br />
tome, jednačina (2) se može pisati u obliku<br />
· <br />
·<br />
<br />
Ovaj zakon je zajedno sa ostalim zakonima elektromagentizma ugrađen u Makvelove jednačine.<br />
Uopšteni Amperov zakon<br />
U fizici, Amperov zakon, koji je otkrio Andre-Mari Amper, opisuje zavisnost kružnog magnetskog polja oko<br />
električne struje. Ovaj zakon je magnetski ekvivalent Faradejevom zakonu elektromagnetske indukcije. U<br />
svom izvornom obliku, Amperov zakon povezuje magnetsko polje sa svojim izvorom, gustinom struje .<br />
Struktura magnetskog polja koje stvaraju električne struje zavisi od geometrijske konfiguracije strujnih<br />
provodnika i intenziteta struja u njima. Iako, u opštem slučaju, magnetska polja električnih struja mogu<br />
imati vrlo složenu strukturu, ona se pokoravaju jednom izvanredno jednostavnom integralnom zakonu,<br />
poznatom pod imenom Amperov zakon o cirkulaciji vektora magnetskog polja. Prema ovom zakonu, koji<br />
daje najopštiji kvantitativni odnos između magnetskih polja u vakuumu i stacionarnih električnih struja koja<br />
ta polja prouzrokuju, linijski integral vektora magnetske indukcije po proizvoljnoj zatvorenoj konturi<br />
(cirkulacija vektora ) je srazmeran algebarskom zbiru struja koje prolaze kroz površinu što se oslanja na<br />
konturu integraljenja (slika 5), odnosno<br />
8<br />
<br />
<br />
<br />
Slika 5. Pozitivan smer proticanja struje se određuje po pravilu desne zavojnice u odnosu<br />
na proizvoljno izabrani smer obilaženja po konturi <br />
U slučaju prostornog strujnog polja Amperov zakon se može pisati u obliku
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Ovako formulisan Amperov zakon važi bez izuzetka za sva magnetska polja električne struje u slobodnom<br />
prostoru (vakuumu, vazduhu i materijalnim sredinama sa slabim magnetnim uređenjem, npr.<br />
paramagneticima), bez obzira na složenost raspodele struje u prostoru i komplikovanost magnetskog polja.<br />
U drugim sredinama važi uopšteni Amperov zakon koji kaže da je cirkulacija vektora jačine magnetnog polja<br />
duž zatvorene konture jednaka sumi svih struja koje ta kontura obuhvata.<br />
Naime, Maksvel je primetio neslaganje Amperovog zakona kada se primeni na punjenje ili pražnjenje<br />
kondenzatora. Ako površina prolazi između ploča kondenzatora, a ne preko provodnika, onda je 0. To<br />
je zato što se između ploča kondenzatora nalazi dielektrik, pa tu ne može biti gustine struje. Međutim,<br />
između ploča kondenzatora važi · 0,<br />
što je u suprotnosti sa prethodnim zaključkom da između<br />
<br />
ploča kondenzatora nema struje. Maksvel je zaključio da Amperov zakon nije potpun. Da bi rešio problem,<br />
osmislio je koncept struje dielektričnog pomeraja i napravio je opšti oblik Amperovog zakona koji je uvrstio<br />
u <strong>Maksvelove</strong> jednačine. Opšti zakon, kako ga je Maksvel ispravio, ima sledeći integralni oblik<br />
· <br />
·<br />
gde je u linearnim sredinama<br />
gustina struje dielektričnog pomeraja.<br />
Jednačina kontinuiteta<br />
<br />
<br />
<br />
Jednačina kontinuiteta izražava nemogućnost stvaranja ili uništavanja električnih opterećenja u<br />
makroskopskim razmerama, tzv. zakon održanja električnih opterećenja.<br />
Intenzitet ili jačina električne struje kroz malu ravnu površ definiše se kao odnos količine elektriciteta<br />
koja prođe kroz površ u intervalu vremena , i tog intervala vremena,<br />
<br />
(4)<br />
<br />
Jedan od dva moguća smera prolaska kroz površinicu uzima se proizvoljno kao referentni, pa se pozitivno<br />
naelektrisanje koje kroz prođe u tom smeru uzima kao pozitivno, a ako prođe u suprotnom smeru kao<br />
negativno. Prema dogovoru, za negativno naelektrisanje važi obrnuto pravilo: kao pozitivno u jednačinu (4)<br />
ulazi negativno naelektrisanje koje kroz prođe u smeru suprotnom od referentnog. Ovakav dogovor o<br />
računanju naelektrisanja koje prođe kroz malu površ potekao je iz dva razloga. Sa jedne strane, ako<br />
posmatramo jednu makroskopsku zatvorenu površ, promena naelektrisanja unutar površi je ista ako neko<br />
pozitivno nelektrisanje uđe u površ i ako isto toliko negativno naelektrisanje izađe iz površi. Sa druge strane,<br />
ispostavlja se da su skoro svi efekti koji prate električnu struju nezavisni od znaka nosilaca naelektrisanja,<br />
zbog čega je i vektor gustine struje definisan tako da ne zavisi ponaosob od (naelektrisanja čestice) i <br />
(srednje usmerene brzine naelektrisanih čestica), već od njihovog proizvoda.<br />
Ako je vektor gustine struje definisan kao vektorski zbir<br />
<br />
<br />
<br />
tada se jačina struje može se napisati preko vektora gustine struje u posmatranoj tački, na sledeći<br />
način<br />
· (6)<br />
9<br />
(5)
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
U slučaju makroskopske površi (koja ne mora biti ravna) intenzitet struje se dobija kao zbir intenziteta<br />
struja oblika (4) ili (6) kroz sve elementarne površinice na koje izdelimo površ . Dakle,<br />
ili, alternativno<br />
<br />
<br />
·<br />
Zamislimo sada jednu zatvorenu, nepokretnu površ u strujnom polju. I kroz zatvorenu površ moguće je<br />
izračunati jačinu električne struje prema obrascima (7) i (8). Neka je domen obuhvaćen površi , a <br />
gustina naelektrisanja (funkcija koordinata i vremena) unutar . Tada na osnovu jednačine (8) imamo<br />
š ·<br />
Referentni smer vektorskog elementa zatvorene površi usmereva se uvek, po dogovoru iz površi u polje<br />
(slika 6).<br />
Prema zakonu održanja opterećenja imamo da je<br />
Slika 6. Referentni smer vektorskog elementa zatvorene površi<br />
<br />
<br />
Kombinovanjem jednačina (7), (9) i (10) dobijamo<br />
<br />
<br />
· <br />
<br />
<br />
<br />
10<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ova jednačina se naziva jednačina kontinuiteta. Pošto smo pretpostavili da je površ nepromenljiva u<br />
vremenu, diferenciranje se može izvršiti po gustini opterećenja . Kako je funkcija i koordinata i vremena,<br />
pišemo znak parcijalnog diferenciranja, pa na kraju imamo<br />
·<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(7)<br />
(8)<br />
(9)<br />
(10)
Elementi vektorske analize<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Teorija elektromagnetskog polja koristi neke pojmove i niz identiteta iz vektorske analize koji će biti<br />
objašnjeni.<br />
Kaže se da u delu prostora postoji polje neke fizičke veličine ako je u svim tačkama toga domena veličina<br />
tačno određena podesnom definicijom. Npr, temperaturno polje na površi Zemlje je skup svih vrednosti<br />
temperatura površi, koje se mogu izmeriti ili izračunati interpolacijom. Za elektromagnetiku su od posebnog<br />
interesa skalarna i vektorska polja, tj. polja fizičkih veličina koje su skalari, odnosno vektori. Matematički se<br />
skalarna i vektorska polja opisuju skalarnom, odnosno, vektorskom funkcijom položaja tačke u polju.<br />
Smatraće se da su te funkcije uvek neprekidne i da su im definisani svi potrebni izvodi.<br />
Osnovne veličine koje karakterišu skalarno i vektorsko polje jesu:<br />
• za skalarno polje<br />
o gradijent skalarne funkcije kojom se opisuje polje,<br />
• za vektorsko polje:<br />
o divergencija vektorske veličine kojom se polje opisuje,<br />
o rotor vektorske veličine kojom se polje opisuje.<br />
Gradijent<br />
Gradijent, u vektorskoj analizi, je vektorsko polje koje predstavlja smer najveće promene u skalarnom polju.<br />
Ako se posmatra soba u kojoj je temperatura data sa skalarnim poljem , tako da je u svakoj tački , , <br />
temperatura , , (pretpostavka je da se temperatura ne menja sa vremenom). Tada će, u svakoj tački u<br />
sobi, gradijent u toj tački pokazivati smer u kojem temperatura raste najbrže. Intenzitet gradijenta će odrediti<br />
kako se brzo temperatura povećava u tom pravcu.<br />
Gradijent se, takođe, može koristiti za merenje kako se skalarno polje menja u drugim smerovima (a ne samo<br />
u pravcu najveće promene) korišćenjem skalarnog proizvoda vektora. Ako se posmatra brdo sa najvećim<br />
nagibom od 40% i ako put ide ravno uzbrdo, tada je najstrmiji nagib, takođe, 40%. Ako, međutim, put ide<br />
oko brda sa uglom u smeru uspona (vektor gradijenta), tada će imati manji nagib. Na primer, ako je ugao<br />
između puta i pravca uspona, projektovan na horizontalnu ravan, 60°, tada će najstrmiji nagib, koji se proteže<br />
duž puta, biti 20%, što se dobilo iz proizvoda 40% · cos 60°.<br />
Slika 7. Skalarno polje prikazano je crnim i belim područijem, s tim da crna odgovara većim vrednostima, a njegov<br />
odgovarajući gradijent je predstavljen strelicama.<br />
Gradijent skalarne funkcije se obeležava sa , a definiše se na sledeći način:<br />
11
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
1<br />
lim <br />
<br />
Zatvorena površinica obuhvata elementarnu zapreminu , a unutar nje se nalazi tačka u kojoj određujemo<br />
gradijent. Uslov 0 treba shvatiti u smislu da najveći “prečnik” zapremine teži nuli, tj. da se zapremina<br />
“skuplja” oko tačke u kojoj se određuje gradijent. Npr, ne može biti tanak valjak konačne visine čiji<br />
poluprečnik teži nuli. Element je po dogovoru usmeren iz površi u polje. Iz definicije (11) se vidi da je<br />
gradijent skalarne funkcije vektorska veličina. Napomenimo da se neka vektorska polja mogu opisati i<br />
podesnom skalarnom veličinom, čiji gradijent daje originalnu vektorsku veličinu u svakoj tački polja.<br />
Može se dokazati da gradijent ne zavisi od oblika zatvorene površinice (dokaz nije prikazan). Ako se uzme<br />
da je mala sfera sa centrom u posmatranoj tački, tada je iz definicione jednačine (11) očigledno da je<br />
vektor u smeru najbržeg porasta veličine u okolini te tačke.<br />
Pomoću definicionog obrasca (11) mogu se izvesti izrazi za gradijent u svim koordinatnim sistemima. Kao<br />
primer, izvešće se izraz za gradijent u Dekartovom pravouglom sistemu. U tom slučaju najpogodnije je<br />
staviti lim , i dalje sledi (videti sliku 8)<br />
1<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
gde je srednja vrednost funkcije na strani 1 paralelopipeda na slici 8, i slično za , ..., . Sa , i <br />
su obeleženi jedinični vektori (ortovi) osa , i . Pošto je <br />
<br />
, i slično za druga dva izraza,<br />
<br />
gradijent u Dekartovom koordinatnom sistemu ima oblik<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(12)<br />
Odavde se vidi da je skalarna komponenta vektora u pravcu i smeru neke ose jednaka<br />
<br />
<br />
Slika 8. Uz izvođenje izraza za gradijent, divergenciju i rotor u Dekartovom pravouglom sistemu<br />
Vrlo često se, zbog skraćenja pisanja, uvodi tzv. “nabla” operator<br />
pa se po definiciji piše i<br />
12<br />
<br />
(11)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(13)<br />
(14)
Divergencija<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Divergencija vektorske funkcije definiše se relacijom (uz ista ograničenja za mali domen kao u slučaju<br />
gradijenta)<br />
1<br />
<br />
<br />
(15)<br />
<br />
Iz ove definicije je očigledno da je divergencija vektora u nekoj tački mera onih izvora tog vektorskog polja<br />
u toj tački koji daju radijalnu komponentu polja.<br />
U Dekartovom koordinatnom sistemu izraz za divergenciju se dobija na sličan način kao za gradijent (slika<br />
8). Taj izraz glasi<br />
<br />
(16)<br />
, i su intenziteti vektorskih komponenata vektora u smeru osa , i . Divergencija u<br />
Dekartovom sistemu se može skraćeno pisati i pomoću nabla operatora<br />
· (17)<br />
gde tačka označava “skalarni proizvod” vektorskog operatora nabla i vektora .<br />
Fizičko značenje pojma divergencije se može lakše razumeti na primeru brzinskog polja tečnosti koja struji.<br />
Ako je brzina čestica tečnosti, onda površinski integral<br />
<br />
<br />
uzet po nekoj zatvorenoj površini , predstavlja količinu tečnosti (merenu jedinicama zapremine) koja u<br />
jedinici vremena napusti domen ograničen posmatranom površinom. Ako u domenu ne postoji nijedan izvor<br />
ili ponor, kroz graničnu površinu domena će isticati upravo onoliko tečnosti koliko uđe, pa će i vrednost<br />
integrala (18) biti jednaka nuli. U opštem slučaju, kada domen sadrži izvore i ponore, izlazni fluks vektora<br />
brzine je različit od nule i upravo jednak razlici količina tečnosti koje u jedinici vremena odaju svi izvori i<br />
prime svi ponori unutar domena. Vrednost integrala (18), kada se izračuna za domen konačne zapremine,<br />
daje samo sumaran podatak o količini tečnosti koja nastaje ili nestaje u posmatranom domenu, ali se na<br />
osnovu ovog podatka ne može ništa pobliže zaključiti o raspodeli i izdašnosti izvora i ponora. Međutim, ako<br />
se integral (18) izračuna za elementarni domen čija zapremina teži nuli i dobijeni rezultat podeli sa ovom<br />
zapreminom, dobije se mera izdašnosti izvora u posmatranoj tački, tj. količina tečnosti, svedena na jedinicu<br />
zapremine, koju ovi izvori odaju u jedinici vremena. Prema tome, divergencija vektora brzine nije ništa<br />
drugo do mera izdašnosti izvora, odnosno ponora, u posmatranoj tački brzinskog polja. U onim tačkama<br />
polja u kojima nema izvora ili ponora divergencija mora biti jednaka nuli.<br />
Po analogiji sa hidromehaničkim pojavama, pozitivna električna opterećenja možemo smatrati “izvorima”<br />
linija električnog polja, a negativna njihovim “ponorima”. Linije električnog polja u vakuumu počinju na<br />
pozitivnim, a završavaju na negativnim električnim opterećenjima. U onim domenima gde ne postoje<br />
nikakva električna operećenja linije električnog polja su neprekinute, što se matematički iskazuje relacijom<br />
0<br />
Ovaj zaključak o neprekidnosti linija električnog polja važi samo za polja u vakuumu.<br />
13<br />
(18)
Rotor<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
U vektorskoj analizi, rotor je vektorski operator koji pokazuje “učestalost rotacije“ vektorskog polja,<br />
odnosno, pravac ose rotacije i intenzitet rotacije. Može se opisati i kao gustina cirkulacije (termini “rotacija”<br />
i “cirkulacija” su korišćeni kao objašnjenje osobina vektorske funkcije pozicije, uprkos njihovoj mogućoj<br />
promenljivosti u vremenu).<br />
Vektorsko polje koje ima rotor jednak nuli naziva se nevrtložno vektorsko polje.<br />
Rotor vektorske veličine definiše se relacijom<br />
1<br />
<br />
<br />
(19)<br />
<br />
Iz ove definicije se može zaključiti da je mera onih izvora vektora u posmatranoj tački koji stvaraju<br />
vrtložnu komponentu vektora .<br />
Pomoću slike 8 se dolazi do zaključka da definicija rotora (19) daje u Dekartovom sistemu izraz za rotor<br />
<br />
<br />
<br />
(20)<br />
<br />
što se pomoću nabla operatora može napisati u obliku<br />
(21)<br />
Poređenjem jednačina (11), (15) i (18) sa jednačinama (14), (17) i (21) dolazimo do zaključka da je moguće<br />
definisati generalisani operator nabla,<br />
1<br />
<br />
<br />
a gradijent, divergenciju i rotor obeležavati sa V, · i , ne ograničavajući se pri tome na Dekartov<br />
pravougli koordinatni sistem.<br />
Neke teoreme i identiteti vektorske analize<br />
Iz definicija gradijenta (11), divergencije (15) i rotora (19) slede skoro direktno tri veoma korisne teoreme<br />
vektorske analize. Kao prvo, pomožimo jednačinu (11) sa i primenimo je na sve male zapremine na<br />
koje smo izdelili proizvoljnu zapreminu konačne veličine. Imajući u vidu da je, po definiciji, element <br />
svih zatvorenih površinica orijentisan iz površinica u polje, sabiranjem tako dobijenih jednačina nalazimo da<br />
je<br />
<br />
<br />
Na sasvim sličan način, iz jednačine (5) sledi veoma važna teorema Gaus-Ostrogradskog,<br />
a iz jednačine (8) identitet<br />
·<br />
<br />
14<br />
<br />
<br />
<br />
(22)<br />
(23)<br />
(24)
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
<br />
<br />
Da bismo dokazali još jednu važnu teoremu vektorske analize, tzv. Stoksovu teoremu, zamislimo prvo da je<br />
elementarna zapremina u jednačini (19) oblika pljosnatog valjka (slika 9). Obeležimo ort spoljašnje normale<br />
na jednu osnovu valjka sa , površinu osnove sa ∆, a visinu (debljinu) valjka sa .<br />
Slika 9. Uz izvođenje Stoksove teoreme i izraza za komponentu · vektora .<br />
Po dogovoru, orijentacija konture i normale na površ koju kontura ograničava povezani su po pravilu desne strane<br />
Množenjem leve i desne strane tako modifikovane jednačine (19) skalarno sa dobijamo<br />
1<br />
· lim<br />
∆ ∆ ·<br />
1<br />
lim<br />
∆ ∆<br />
<br />
· <br />
<br />
Na osnovicama valjka su vektori i paralelni, pa im je vektorski proizvod nula. Na omotaču valjka je<br />
, gde je element konture koja ograničava osnovu valjka (npr. gornju, slika 9). Tako se<br />
dobija<br />
1<br />
· lim<br />
∆ ∆ ·<br />
(26)<br />
<br />
Ovaj izraz predstavlja alternativu definiciji rotora, preciznije, definiciju komponente vektora u pravcu i<br />
smeru proizvoljnog orta . Važno je uočiti da je smer obilaska konture povezan sa normalom na površ<br />
koju kontura ograničava po pravilu desne zavojnice (slika 9), a u skladu sa dogovorom koga se uvek držimo.<br />
Zamislimo sada proizvoljnu otvorenu površ ograničenu konturom . Izdelimo površ na elementarne<br />
površinice ograničene konturama . Napišimo jednačine oblika (26) za sve te površinice, pomnožimo ih<br />
sa , pa te jednačine saberimo. Imajući u vidu da je orijentacija elemenata susednih kontura suprotna i da je<br />
, dobijamo<br />
Ova jednačina se naziva Stoksova teorema.<br />
· ·<br />
<br />
Na osnovu do sada dobijenih rezultata moguće je definisati niz operacija nad skalarnim i vektorskim<br />
funkcijama, kao i dokazati veći broj vrlo korisnih identiteta. Na primer, moguće je računati divergenciju<br />
rotora neke vektorske funkcije, tj. . Prema teoremi Gaus-Ostrogradskog imamo prvo identitet<br />
15<br />
<br />
<br />
(25)<br />
(27)
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
· 0<br />
<br />
pošto se zatvorena površ može zamisliti kao otvorena površ sa beskonačno malom konturom kao<br />
granicom, pa primeniti Stoksova teorema (27). Pošto gornja jednačina mora važiti za svaku zapreminu ,<br />
sledi da je integrand jednak nuli. Tako dolazimo do korisnog identiteta<br />
16<br />
<br />
0 (28)<br />
Na kraju, zamenimo u Stoksovoj teoremi (27) sa . Pošto je · ⁄ <br />
,<br />
desna strana jednačine (27) u tome slučaju je nula. Ovaj zaključak važi za svaku površ koja se oslanja na<br />
konturu , pa mora biti<br />
0 (29)
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
Diferencijalni oblik Maksvelovih jednačina elektromagnetskog polja<br />
Pomoću gore izvedenih teorema moguće je integralne jednačine polja transformisati u diferencijalne.<br />
Na Gausov zakon električnog fluksa koji u integralnom obliku glasi<br />
· <br />
primenimo teoremu Gaus-Ostrogradskog na levu stranu jednačine i dobijamo<br />
odnosno<br />
<br />
<br />
Na Gausov zakon magnetizma koji u integralnom obliku glasi<br />
<br />
17<br />
<br />
<br />
(30)<br />
· 0<br />
<br />
primenimo teoremu Gaus-Ostrogradskog na levu stranu jednačine i dobijamo<br />
odnosno<br />
0<br />
Ako na Faradejev zakon elektromagnetne indukcije koji glasi<br />
<br />
0 (31)<br />
· <br />
·<br />
primenimo Stoksovu teoremu na levu stranu jednačine dobijamo<br />
<br />
·<br />
Pošto ova jednačina važi za svaku površ , dobijamo da je<br />
<br />
<br />
<br />
·<br />
<br />
<br />
<br />
Na analogan način se transformiše uopšteni Amperov zakon koji u integralnom obliku glasi<br />
Primenom Stoksove teoreme dobijamo<br />
· <br />
·<br />
<br />
<br />
(32)
odnosno<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
·<br />
<br />
<br />
·<br />
<br />
<br />
<br />
Pored ovih jednačina, transformišimo i jednačinu kontinuiteta koja u integralnom obliku glasi<br />
· <br />
<br />
tako što ćemo primeniti teoremu Gaus-Ostrogradskog na levu stranu i dobiti<br />
odnosno<br />
<br />
<br />
<br />
18<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Integralni i diferencijalni oblik Makvelovih jednačina, kao i jednačine kontinuiteta su dati u sledećoj tabeli.<br />
Naziv jednačine Integralni oblik Diferencijalni oblik<br />
Gausov zakon (zakon<br />
električnog fluksa)<br />
Gausov zakon magnetizma<br />
(zakon održanja magnetskog<br />
fluksa)<br />
Faradejev zakon<br />
elektromagnetne indukcije<br />
· <br />
<br />
<br />
· 0<br />
<br />
· <br />
·<br />
Uopšteni Amperov zakon · <br />
·<br />
Jednačina kontinuiteta · <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(33)<br />
(34)
Literatura<br />
<strong>Maksvelove</strong> jednačine elektromagnetskog polja<br />
1. Prof. Dr Branko Popović, “Osnovi elektrotehnike I”, četvrto izdanje, Građevinska knjiga, Beograd,<br />
1982.<br />
2. Prof. Dr Branko Popović, “Osnovi elektrotehnike II”, drugo izdanje, Građevinska knjiga, Beograd, 1981.<br />
3. Prof. Dr Branko Popović, “Elektromagnetika”, četvrto izdanje, Građevinska knjiga, Beograd, 1990.<br />
4. Prof. dr Jovan Surutka, “Elektromagnetika”, treće izdanje, Građevinska Knjiga, Beograd, 1971.<br />
5. Daniel Fleisch, “A student’s Guide to Maxwell’s Equations”, Cambridge University Press, 2008.<br />
6. http://sr.wikipedia.org<br />
7. http://sh.wikipedia.org<br />
8. http://en.wikipedia.org<br />
9. www.fizika.info<br />
10. www.pmf.ac.me<br />
Animacije<br />
1. http://phet.colorado.edu/simulations/index.php?cat=All_Sims<br />
2. http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Faradays_Electromagnetic_Lab<br />
3. http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Faradays_Law<br />
4. http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Radio_Waves_and_Electromagnetic_Fields<br />
5. http://webphysics.davidson.edu/physlet_resources/bu_semester2/menu_semester2.html<br />
6. http://courses.science.fau.edu/~rjordan/phy2044/rev_notes.htm<br />
19