Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Lekcija VI
Elektromagnetni talasi
UVOD U MATEMATIČKI
FORMALIZAM
Skalar: veličina koja se može prikazatia pozitivnim ili negativnim brojem(masa, temperatura, energija, pritisak)
Vektor: veličina koja osim brojne vrednosti ima i pravac u prostoru(Sila, brzina, ubrzanje)
kAjAiAA zyxˆˆˆ ++=
r
( ) ( ) ( )kBAjBAiBABA zzyyxxˆˆˆ +++++=+
rr
Suma: dodavanje komponenti
kcAjcAicAAc zyxˆˆˆ ++=
rProizvod: vektor puta skalar
Uvod: 2 Polja i 3 Operacije
x
kBjBiBB zyxˆˆˆ ++=
r
Vektorski proizvod: determinanta sa jediničnim vektorima
( ) ( ) ( )kBABAjBABAiBABA xyyxzxxzyzzyˆˆˆ −+−+−=
=×
zyx
zyx
BBB
AAA
kji
BA
ˆˆˆ
detrr
zzyyxx BABABABA ++=⋅rr
Skalarni proizvod: pomnožiti komponente i sabrati
Skalarno polje: skalarna veličina definisana u svakoj tački 2D ili 3D prostora
),(),( yxfyxS =
Analitički Numerički
54658760098756445
33445456783928
564545769998836
555565554343833
4568790987664
56576808976553
34467097856335
60975756746
45686458654
8345059843
)sin(),( xyxyxS =
npr:
(… crno-bela slika je skalarno polje)
0
50
100
0
50
100-10
-5
0
5
10
f
xy
Grafički
Crtež-Površ (2D skalarno polje)
20 40 60 80 100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-4
-2
0
2
4
6
Konturni crtež (isto 2D skalarno polje)
x
y
20 40 60 80 100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-6
-4
-2
0
2
4
6
Slika (isto 2D skalarno polje)
x
y
0
10
20 05
1015
200
5
10
15
20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
3D skarano polje
3D crtež tačaka sa bojom koja daje vrednost polja:
( ) ( ) ( ) 510210310222
1),,(−−−−−−−= zyx eeezyxS
Vektorsko polje: vektorska veličina definisana u svakoj tački 2D ili 3D prostora
( ) jyxixyyx ˆˆ)sin(),( ++=Sr
Analitički Numerički
2051
5544
3325
8562kVjViVzyx zyxˆˆˆ),,( ++=V
r
Funkcije od (x,y,z)
2051
5544
3325
8562
2051
5544
3325
8562
k+j+i
(…Slike u boji su vektorska polja)
2D npr:
Grafički
(2D vektorsko polje): dužina strelica = vrednost polja
( ) jyxixyyx ˆˆ)sin(),( ++=Vr
y
x-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Temperaturska mapa: skalarno polje
Mapa vetrova: Vektorsko polje
Dva polja
Gradijent
“izvod polja”
y
S
x-2 -1 0 1 2
-2
0
20
5
10
15
20
22yxS=
Izvod (nagib) zavisi od pravca!
dyy
Sdx
x
SdS
∂
∂+
∂
∂=
kz
jy
ix
ˆˆˆ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=∇
Totalni Diferencijal:
Sličan je skalarnom proizvodu: ( )jdyidxjy
Si
x
SdS ˆˆˆˆ +⋅
∂
∂+
∂
∂=
( ) ( )ldSdSr
⋅∇=
“delta”
“nabla”
Delta nije vektor i ne množi polje – delta je operator!
Premda, delta deluje kao vektor:
1. Deluje na skalarno polje: gradijent
2. Kao skalarni proizvod sa vektorskim poljem: divergence
3. Kao vektorski proizvod sa vektorsim poljem: rotor
S∇
Vr
⋅∇
Vr
×∇
y
S
x-2 -1 0 1 2
-2
0
20
5
10
15
20
22yxS=
Primer gradijenta:
jyxixyS ˆ2ˆ222 +=∇
At (1,1)
jiS ˆ22 +=∇
At (-1,1)
jiS ˆ22 +−=∇
Gradijent skalarnog polja je vektorsko polje čije komponente su izvodi skalarnog polja duž svake ose:
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
U svakoj tački vektor gradijenta je usmeren duž pravca maksimalnog nagiba i njegova vrednost je jednaka nagibu u tom pravcu.
jyxixyS ˆ2ˆ222 +=∇
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0
2
4
6
8
10
12
kz
jy
ix
ˆˆˆ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=∇
S∇ = gradijent
Kolor crtež = skalarno polje strelice = gradijent
Fundamentalne Teoreme
( ) ( )∫ −=b
a
afbfdxdx
df
1. Fundamentalna Teorema gradijenta
Sa poljima , delta operator nam daje tri fundamentalne teoreme:
( ) ( ) ( )∫ −=⋅∇b
a
aSbSldSv
(Integral od izvoda u nekom opsegu = vrednost na granici)
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0
2
4
6
8
10
12
0
50
100
0
50
100-10
-5
0
5
10
a
b
Vr
⋅∇
Divergencija vektorskog polja
( )kVjViVkz
jy
ix
zyxˆˆˆˆˆˆ ++⋅
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
zyx Vz
Vy
Vx ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂(skalarno polje)
( )jyxixyyx ˆˆ)cos(),(22 ++=V
r
yxyy 2)sin( +−=⋅∇ Vr
2. Fundamentalna teorema divergencije
zapreminski integralpovršinski integral
(Integral od izvoda u nekom opsegu = vrednosti na granici)
(Gaus-Ostrogradski)
∫∫ ∫∫∫ ⋅∇=⋅S V
dVFdSF
kjyix ˆ0ˆˆ ++=Vr
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
X
Y
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
X
Y
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
kjyix ˆ0ˆˆ ++=Vr
2=⋅∇ Vr
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
jyix ˆˆ 22 +=Vr
jyix ˆˆ 22 +=Vr
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-6
-4
-2
0
2
4
6
yx 22 +=⋅∇ Vr
Vr
×∇
Rotor vektorskog polja
( )kVjViVkz
jy
ix
zyxˆˆˆˆˆˆ ++×
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
“Koliko vektorsko polje može nešto da uvrne”
∂∂
∂∂
∂∂
zyx
zyx
VVV
kji ˆˆˆ
det
3. Fundamentalna teorema za rotor
Otvoreni površinski integralzatvoreni linijski integral
(Stoksova teorema)
(Integral od izvoda u nekom opsegu = vrednosti na granici)
∫ ∫∫ ⋅×∇=⋅L S
SdFdlF
F
F×∇
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
kjyix ˆ0ˆˆ ++=Vr
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
011 =−=×∇ Vr
Kolor crtež = z komponenta rotora(V)
kjyix ˆ0ˆˆ ++=Vr
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
( ) kjxiyy ˆ0ˆˆsin22 ++=V
r
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
( ) ( )[ ]kyyyyx ˆ cossin222+−=×∇ V
r
Kolor crtež = z komponenta od rotora(V)
( ) kjxiyy ˆ0ˆˆsin22 ++=V
r
Gradijent: usmereno ka većoj vrednostiS∇
Vr
⋅∇
Vr
×∇
Divergencija: vectori izviru ili uviru u zapreminski element
rotor: vectori izazivaju rotaciju površi
2 polja i 3 Operacije
( )zyxS ,,
),,( zyxVr
Skalarno polje
Vektorsko polje
MAKSVELOVE JEDNAČINE
+ -
+ -
( ) rrE ˆ4
12
0 r
q
πε=
rr
I.II. Gausov zakon
Daje vezu izmeñu raspodele naelektrisanja i električnog polja
Tačkasto naelektrisanje
Linije električnog poljaE
…dobro opisuje za tačkasto naelektrisanje.
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
+ -
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
+ -
1S
2S
1v
2v
2211 vSvS =
dS
E
0=⋅∫∫S SdB
III. Faradejev zakon indukcije
•• Promenljivi magnetni fluks generiše Promenljivi magnetni fluks generiše elektromotornu siluelektromotornu silu ememss
•• Ili, promenljivo Ili, promenljivo BB--polje generiše polje generiše EE--poljepolje
•• Promena magnetnog fluksa je Promena magnetnog fluksa je potrebnapotrebna
dt
d Φ−−−−====ε
( )BvEqFrrrr
×+=
v
FF
Nestankom sile:
Sila koja deluje na provodne elektrone:
0=ems
Faraday
Kretanje namotaja u promenljivom B polju
( )BvEqFrrrr
×+=
Sila se ne poništava: 0≠ems
FF
v
v
EE
( )BvEqFrrrr
×+=
0=vr
EqFrr
=
Električno polje mora biti kreirano!
Ostaje samo:
Stacionarni kalem sa pokretnim B izvorom:
Ali mi još imamo ems …
EE
i
Uopšteno:
tems B
∂
Φ∂−=
Faradejev zakon(integralna forma)
Stacionarni kalem i izvor B
polja, ali se polje B povećava:
0≠ems
∫∫∫ ⋅∂
∂−=⋅
SCSd
t
BldE
IV. Amperov zakon
iB
zatvorenaC
ild 0µ=⋅∫rr
B
Oopštenije:
J = gustina struje
MaxwellAmpere
“Nešto nedostaje...”
∫∫∫ ⋅=⋅SC
SdJldB 0µ
∫ ⋅C
ldrr
B
Punjenje kondenzatora
i
- +
- +
- +- +
- +
∫∫ ⋅S
SdJ
∫ ⋅C
dlrr
B
i
- +
- +
- +- +
- +
Punjenje kondenzatora
Maxwell: “…promena električnog polja u kondenzatoru je takoñe struja.”
∫∫ ⋅S
SdJ
∫∫∫ ⋅
∂
∂+=⋅
SCSd
t
EJldB εµ
“Struja pomeraja”
MAKSVELOVE JEDNAČINE
(INTEGRALNA FORMA)
∫∫∫ ⋅∂
∂−=⋅
SCSd
t
BldE
∫∫∫ ⋅
∂
∂+=⋅
SCSd
t
EJldB εµ
∫∫∫∫∫ ⋅=⋅VS
dVSdE ρε0
1
0=⋅∫∫S SdB
Maksvelovske jednačine u diferencijalnom obliku
Gausova teorema za divergenciju
∫∫ ∫∫∫ ⋅∇=⋅S V
dVFdSF
Stoksova teorema za rotor
∫ ∫∫ ⋅×∇=⋅L S
SdFdlF
∫ ∫∫ ⋅×∇=⋅L S
SdEdlE
∫∫ ∫∫ ⋅∂
∂−=⋅×∇ Sd
t
BSdE
t
BE
∂
∂−=×∇
∂
∂+=×∇
t
EJB εµ
∫∫ ∫∫∫ ⋅∇=⋅S V
dVESdE ∫∫∫ ∫∫∫=⋅∇ dVdVE ρε
1
ε
ρ=⋅∇ E 0=⋅∇ B