Elettrodinamica 4 9 novembre 2012 Equazione di continuita` Limiti della legge di Ampère Corrente di spostamento Equazioni di Maxwell Equazione di continuita` • E` un’altro modo di esprimere la conservazione della carica elettrica • Consideriamo una superficie chiusa S attraverso cui puo` transitare carica elettrica • Al tempo t la carica contenuta entro S sia Q(t) e al tempo successivo t+dt sia Q(t+dt) • Per la conservazione della carica elettrica la variazione della carica entro S dev’essere dovuta a corrente che attraversa S Qt dt Qt idt 2 Equazione di continuita` • Il segno negativo davanti a i e` dovuto alla relazione tra carica e corrente: corrente entrante porta ad un aumento di carica, corrente uscente ad una sua diminuzione • Ma d’altronde, essendo n • i J nˆ da S per correnti entranti J nˆ 0 J J n che quindi risultano negative • per correnti uscenti J nˆ 0 che quindi risultano positive • Da qui la necessita` del segno negativo 3 Equazione di continuita` • Possiamo quindi scrivere l’equazione di continuita` in dQ forma integrale dt i • Riscriviamo carica e corrente in termini delle loro d definizioni integrali dV J da dt V S S • Possiamo invertire la derivata a primo membro con l’integrale di volume e usare il teorema della divergenza a secondo membro per passare ad un integrale di volume JdV t dV V S V S 4 Equazione di continuita` • Siccome la superficie S e` arbitraria, l’uguaglianza degli integrali implica quella degli integrandi • Si ottiene cosi’ l’eq. di continuita` in forma differenziale J t 5 Lemma • La divergenza della rotazione diun campo vettoriale e` identicamente nulla A 0 • Per dimostrarlo poniamoci in un sistema cartesiano e calcoliamo la divergenza A A x A y A z x y z • Il primo termine e` 2 2 A Ay Az Az y A x x x y z xy xz 6 Lemma • Gli altri due termini si ottengono per permutazione ciclica degli indici, avremo quindi 2 Az 2 Ay 2 Ax 2 Az 2 Ay 2 Ax A xy xz yz yx zx zy Az Az Ay Ay 2 Ax 2 Ax xy yx zx xz yz zy 2 2 2 2 • Siccome l’ordine di derivazione e` irrilevante, i termini si elidono a due a due e il lemma rimane dimostrato 7 Limiti della legge di Ampère • Non è applicabile a correnti non stazionarie (ad es. un condensatore) • Data una curva C, che contorna il filo, la circuitazione del campo B è 0i • La corrente concatenata a C risulterebbe B dl 0i C S2 S1 – attraverso S1 : i – attraverso S2 : zero • Per cui la legge di Ampère dà due risultati diversi a seconda che sia applicata a S1 o a S2 C 8 Maxwell • Si può vedere anche in forma differenziale: B 0 J • Se facciamo la divergenza di entrambi i membri otteniamo che il primo membro si annulla, mentre il secondo, per l’eq. di continuita`, in generale è diverso da zero: B 0 0 J 0 t • Maxwell propose di aggiungere un termine alla legge di Ampere, in modo da renderla sempre verificata • L’obiettivo e` arrivare all’eq. B 0 0 J t 9 Maxwell • Usando la legge di Gauss, esprimiamo la densità di carica in termini della divergenza del campo E: B 0 0 E 0 J t • Invertendo le operazioni di derivata temporale e di divergenza, e poi raccogliendo questo operatore: E 0 J B 0 0 t • L’equazione riformulata che Maxwell propose è dunque E B 0 J 0 0 t 10 Maxwell d( E ) B d l i 0 0 0 C dt • In forma integrale: • Il nuovo termine è proporzionale alla derivata del flusso del campo E rispetto al tempo • Per il condensatore il nuovo termine dà: – attraverso S1 : zero dQint d ( E ) 0 0i – attraverso S2 : 0 0 dt dt Esattamente quel che serve per rendere uguali i conti su S1 e S2 S2 S1 C 11 Corrente di spostamento • Il termine d ( E ) 0 is dt • vien detto corrente di spostamento • L’equazione di Ampère-Maxwell d( E ) C B dl 0i 0 0 dt 0 i is • è la 4a equazione dell’e.m. nella sua forma completa 12 Equazioni di Maxwell • Legge di Gauss per il campo E • Assenza di monopoli magnetici • Legge di Faraday-Neumann • Legge di Ampère-Maxwell int Qtot ( E ) 0 ( B) 0 d ( B) E d l C dt d ( E ) C B dl 0i 0 0 dt 13