και A = 1 Το πρόβλημα των μη ομογενών συνοριακών συνθηκών.

Σχετικά έγγραφα
Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα ασχοληθούμε με την ( μη ομογενή ) εξίσωση Helmholtz σε D χωρικές διαστάσεις :

z=± Η εξίσωση αυτή μας λέει αμέσως ότι η συνάρτηση Green σε δύο διαστάσεις είναι

Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα ασχοληθούμε με την (μη ομογενή) κυματική εξίσωση σε D χωρικές και 1 χρονική διάσταση :

(β) Από την έκφραση (22) και την απαίτηση (20) βλέπουμε ότι η συνάρτηση Green υπάρχει αρκεί η ομογενής εξίσωση. ( L z) ( x) 0

Ο πρώτος από τους όρους της παραπάνω εξίσωσης, τον οποίο θα σημειώνουμε, μπορεί να απλοποιηθεί αν παρατηρήσουμε ότι τόσο η G

Δομή Διάλεξης. Εύρεση επαγόμενων επιφανειακών φορτίων. Εύρεση δύναμης που ασκείται στο πραγματικό φορτίο και αποθηκευμένης ηλεκτροστατικής ενέργειας.

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

fysikoblog.blogspot.com

Εξίσωση Laplace Θεωρήματα Μοναδικότητας

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Λύσεις στο επαναληπτικό διαγώνισμα 3

ενώ θεωρήσαμε το διάνυσμα R στην κατεύθυνση του άξονα z. + = + (172) Έτσι οι συναρτήσεις Green παίρνουν την τελική τους μορφή :

Ηλεκτρική Μετατόπιση- Γραμμικά Διηλεκτρικά

Δομή Διάλεξης. Ορισμός Ηλεκτρικού Δυναμικού και συσχέτιση με το Ηλεκτρικό Πεδίο

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS ΚΕΦ.. 23

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς

1 3 (a2 ρ 2 ) 3/2 ] b V = [(a 2 b 2 ) 3/2 a 3 ] 3 (1) V total = 2V V total = 4π 3 (2)

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

Δομή Διάλεξης. Κλασσική Θεωρία Σκέδασης Ορισμοί μεγεθών σκέδασης. Κβαντική θεωρία σκέδασης Πλάτος σκέδασης

x 3 D 1 (x 1)dxdy = dydx = (x 1)[y] x x 3 dx + x)dx = 3 x5

( ) Ολική στροφορμή L = p! i. L =! R M! v + ri m i vi. r i. q Ορίζουμε την θέση ενός σημείου I από το κέντρο μάζας: r! i

Φυσική για Μηχανικούς

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ. 2. Χρησιμοποιώντας αποκλειστικά το προηγούμενο αποτέλεσμα να λύσετε το ( ) ( )

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 29: Το άτομο του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Λύση Εξίσωσης Laplace: Χωρισμός Μεταβλητών

ΦΥΣ Διαλ Σήμερα...? q Λογισμό μεταβολών (calculus of variations)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Σκέδαση Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

Κλασική Hλεκτροδυναμική

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 07. ΣΤΡΟΦΟΡΜΗ ΚΑΙ ΤΟ ΑΤΟΜΟ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό πεδίο νόμος Gauss. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΕΔΙΑ Ι 10. Η μέθοδος των ειδώλων

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

Δομή Διάλεξης. Εύρεση ακτινικού μέρους εξίσωσης Schrödinger. Εφαρμογή σε σφαιρικό πηγάδι δυναμικού απείρου βάθους. Εφαρμογή σε άτομο υδρογόνου

G L (x) =Ax + B, G R (x) =A x + B οπότε από τις συνοριακές συνθήκες έχουμε

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

Κεφάλαιο 1. Κβαντική Μηχανική ΙΙ - Περιλήψεις, Α. Λαχανάς

8. ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ. Φυσική ΙΙ Δ. Κουζούδης. Πρόβλημα 8.6.

1.1. Διαφορική Εξίσωση και λύση αυτής

Πρόβλημα 4.9.

Παραδείγματα τριπλών oλοκληρωμάτων Επιμέλεια: Ι. Λυχναρόπουλος

3 + O. 1 + r r 0. 0r 3 cos 2 θ 1. r r0 M 0 R 4

Ανασκόπηση-Μάθημα 28 Τριπλό ολοκλήρωμα-κυλινδρικές-σφαιρικές συντεταγμένες

Έστω μια συνεχής (και σχετικά ομαλή) συνάρτηση f( x ), x [0, L]

ΠΗΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΚΕΦ 28)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

Κεφάλαιο 4: Διαφορικός Λογισμός

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

Θεωρία μετασχηματισμών

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 09/11/2017. Άσκηση 1. Να βρεθεί η γενική λύση της διαφορικής εξίσωσης. dy dx = 2y + x 2 y 2 2x

Φυσική για Μηχανικούς

k ) 2 P = a2 x 2 P = 2a 2 x y 2 Q = b2 y 2 Q = 2b 2 y z 2 R = c2 z 2 R = 2c 2 z P x = 2a 2 Q y = 2b 2 R z = 2c 2 3 (a2 +b 2 +c 2 ) I = 64π

Το πρόβλημα των μηδενικών ιδιοτιμών.

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό δυναμικό. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΠΩΝΥΜΟ :... ΟΝΟΜΑ :... ΒΑΘΜΟΣ:

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό πεδίο νόμος Gauss. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

() 1 = 17 ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ LEGENDRE Ορισµοί

ΦΥΕ14, Εργασιά 6 η Ημερομηνία παράδοσης 28/6/2010

Εφαρμογές Νόμος Gauss, Ηλεκτρικά πεδία. Ιωάννης Γκιάλας 7 Μαρτίου 2014

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ιδάσκων : Ε. Στεφανόπουλος 12 ιουνιου 2017

Ορίζοντας την δυναμική ενέργεια σαν: Για μετακίνηση του φορτίου ανάμεσα στις πλάκες: Ηλεκτρικό Δυναμικό 1

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΠΗΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

(x(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,y(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,z(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2) =0 x y z. div A =0

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

website:

( ) ) V(x, y, z) Παραδείγματα. dt + "z ˆk + z d ˆk. v 2 =!x 2 +!y 2 +!z 2. F =! "p. T = 1 2 m (!x2 +!y 2 +!z 2

Αλλαγή µεταβλητής στο τριπλό ολοκλήρωµα ( ) Β R Jordan µετρήσιµα υποσύνολα του U. R, ανοικτό µε. y y y συµβολίζει την ορίζουσα του πίνακα Jacobi

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ι ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

Διάλεξη 2: Κεντρικά Δυναμικά. Αναζητούμε λύσεις της χρονοανεξάρτητης εξίσωσης Schrödinger για κεντρικά δυναμικά

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

Η ΜΕΘΟ ΟΣ "ΛΟΦΟΣ-ΤΡΙΒΗ" ( Friction-Hill Method, Slab Analysis)

Κβαντομηχανική Ι 6o Σετ Ασκήσεων. Άσκηση 1

1.1 Βασικές Έννοιες των Διαφορικών Εξισώσεων

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Διανύσματα - Διανυσματικές Συναρτήσεις

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Homework#13 Trigonometry Honors Study Guide for Final Test#3

Παράρτημα Ι. 1 Το ισόχρονο της ταλάντωσης επί κυκλοειδούς

Φυσική για Μηχανικούς

Κλασική Hλεκτροδυναμική

ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

ds ds ds = τ b k t (3)

sin(30 o ) 4 cos(60o ) = 3200 Nm 2 /C (7)

Φυσική για Μηχανικούς

1.1.1 Εσωτερικό και Εξωτερικό Γινόμενο Διανυσμάτων

Ιόνιο Πανεπιστήμιο - Τμήμα Πληροφορικής

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ

Διαφορικές Εξισώσεις.

Συζευγμένα ταλαντώσεις - Ένα άλλο σύστημα

Μετασχηματισμοί Καταστάσεων και Τελεστών

Κεφάλαιο Η2. Ο νόµος του Gauss

Αλλαγή µεταβλητής στο τριπλό ολοκλήρωµα ( ) Β R Jordan µετρήσιµα υποσύνολα του U. R, ανοικτό µε. y y y συµβολίζει την ορίζουσα του πίνακα Jacobi

Εργασία 1 η & Λύσεις 2009/10 Θεματική Ενότητα ΦΥΕ14 " ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ "

7. ΑΝΩΜΑΛΑ ΣΗΜΕΙΑ, ΠΟΛΟΙ ΚΑΙ ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΙΠΩΝ. και σε κάθε γειτονιά του z

Transcript:

Στις δύο διαστάσεις αφετηρία είναι η σχέση r + r r r A r + q r q Grr (, = ln ln L L (6 από την οποία μπορούμε να προσδιορίσουμε ότι και επομένως R R q = r, L r = L και A = r (7 r + r r r Grr (, = ln rr R + r r R (8 Όπως και στο πρώτο παράδειγμα έτσι και εδώ οι συνοριακές συνθήκες συνοψίσθηκαν από ένα εικονικό φορτίο κατάλληλου μεγέθους το οποίο βρίσκεται στη θέση του ειδώλου του πραγματικού φορτίου ως προς τη συνοριακή επιφάνεια. Παρόλο που για λόγου απλότητας στα προηγούμενα παραδείγματα περιοριστήκαμε στην εξίσωση Poisson, είναι εύκολο να διαπραγματευθούμε τα αντίστοιχα προβλήματα και για την εξίσωση Helmholtz. Η τεχνική που περιγράψαμε μπορεί, τουλάχιστον καταρχή, να εφαρμοσθεί σε κάθε πρόβλημα στο οποίο υπάρχουν συνοριακές επιφάνειες οι οποίες διαχωρίζουν περιοχές. Εντούτοις, η πρακτική εφαρμογή της μπορεί να είναι προβληματική όταν πολλά (ή και άπειρα εικονικά φορτία χρειάζονται προκειμένου να λάβουμε υπόψη τις συνοριακές δεσμεύσεις. Το πρόβλημα των μη ομογενών συνοριακών συνθηκών. Αν το πρόβλημα που μας ενδιαφέρει συνοδεύεται από μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες τότε, όπως έχουμε πεί, θα πρέπει να βρούμε τη λύση της ομογενούς διαφορικής εξίσωσης που ικανοποιεί τις συγκεκριμένες μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες. Αυτό μπορεί να γίνει με τη βοήθεια της (γενικευμένης αν χρειαστεί συνάρτησης Green η οποία υπόκειται στην ομογενή έκδοση των δεδομένων συνοριακών συνθηκών. Στο εδάφιο αυτό θα περιορισθούμε στην εξίσωση Laplace ( Ψ r = η οποία συνοδεύεται από μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες τύπου irichlet ή Neumann (η γενίκευση για την περίπτωση της ομογενούς εξίσωσης Helmholtz μπορεί να γίνει άμεσα. Θα ξεκινήσουμε από την περίπτωση των συνοριακών συνθηκών irichlet. (9 6

Όπως είπαμε στην αρχή, στην περίπτωση αυτή η συνάρτηση Green κατασκεύαζεται. Μπορούμε επομένως να γράψουμε : Ψ ( r = d r ( r r Ψ ( r = d r G( r, r Ψ ( r δ r Αν χρησιμοποιήσουμε την ταυτότητα ( G Ψ ( ( ( = G Ψ G Ψ + G Ψ μαζί με την (9, θα ξαναγράψουμε την εξ. ( : ( ( ( r d r G G Ψ = Ψ Ψ = ds [ G( r, r ] Ψ( r ( ( r r r n S S S ( ( Όλα τα στοιχεία στο τελευταίο σκέλος της προηγούμενης σχέσης είναι γνωστά. Επομένως η σχέση ( δίνει την λύση της εξίσωσης Laplace όταν υπόκειται σε μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες irichlet. Μερικά παραδείγματα είναι χρήσιμα εδώ. Ας πούμε ότι θέλουμε να λύσουμε την εξ. Laplace στην περιοχή z > με την απαίτηση στο επίπεδο z = η λύση μας να γίνεται: Ψ ( x, y, = ψ ( x, y. Η συνάρτηση Green που μας χρειάζεται είναι : Grr (, = 4 π ( x x + ( y y + ( z z 4 π ( x x + ( y y + ( z+ z Η συνοριακή επιφάνεια εδώ είναι το επίπεδο xy και η κάθετη σ' αυτό παράγωγος είναι : z G = z z= π ( x x + ( y y + z 3/ (3 Επειδή στο ολοκλήρωμα ( η παράγωγος η οποία υπεισέρχεται κατευθύνεται εκτός της επιφανείας, στο συγκεκριμένο πρόβλημα πρέπει να πάρουμε την παράγωγο η οποία κατευθύνεται πρός τον αρνητικό άξονα z. Επομένως πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την ngrr (, S = G. Έτσι βρίσκουμε ότι : z z= z ψ ( x, y Ψ ( r = dx dy ( x x + ( y y + z 3/ π (4 7

Το ίδιο πρόβλημα σε δύο διαστάσεις μπορεί να λυθεί με τον ίδιο ακριβώς τρόπο : Ψ ( x, y = y ψ ( x dx (5 π ( x x + y Ένα δεύτερο πρόβλημα μπορεί να αφορά στη λύση της εξ. Laplace στο εσωτερικό (ή στο εξωτερικό μιας σφαίρας στην επιφάνεια της οποίας παίρνει κάποια συγκεκριμένη τιμή: Ψ (,, (, r = R θϕ = ψθϕ. Εδώ η συνάρτηση Green που μας χρειάζεται είναι η Grr (, = r + r r r rr R + r r R Η κάθετη στη συνοριακή επιφάνεια παράγωγος είναι προφανώς η ακτινική : R r ngrr (, S = G = r r= R r r + R rr cos ( γ 3/ (6 Στην προηγούμενη σχέση γράψαμε r r. Η γωνία μεταξύ των r και r μπορεί να βρεθεί από τη r r cosγ = = sinθ cosϕsinθ cosϕ + sinθ sinϕsinθ sinϕ + cosθ cosθ (7 rr Η παράγωγος που χρειαζόμαστε είναι ακριβώς η (6 αν θέλουμε να λύσουμε το πρόβλημα στο εσωτερικό της σφαίρας. Αν μας ενδιαφέρει το εξωτερικό της σφαίρας πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το αποτέλεσμα (6 με αντίθετο πρόσημο. Το στοιχείο της επιφάνειας είναι τώρα ds = R dθ dϕ sinθ και επομένως η λύση της εξίσωσης Laplace (για το εσωτερικό πρόβλημα διαβάζεται cos π π RR ( r ψϕ (, θ ( r, θϕ, dϕ dθsinθ 3/ Ψ = (8 ( r + R rr γ Σε δύο διαστάσεις η απάντηση στο πρόβλημα βρίσκεται με τον ίδιο τρόπο: Ψ (, r θ = π R r ψθ ( dθ π (9 r + R rr cos( θ θ 8

Μπορούμε τώρα να περάσουμε στην περίπτωση των συνοριακών συνθηκών Neumann. Αυτό το οποίο πρέπει να πούμε αμέσως είναι ότι η εξίσωση Laplace (όπως και η εξίσωση Poisson με μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες Neumann δεν έχει πάντα λύση. Πράγματι αν ολοκληρώσoυμε την (9 θα πάρουμε : Ψ ( = Ψ ( = d r r ds n rs S ( (3 Η σχέση αυτή αποτελεί μια δέσμευση για τις συνοριακές συνθήκες η οποία αν δεν ικανοποιείται το πρόβλημά μας δεν έχει λύση.στη γλώσσα της φυσικής η σχέση αυτή μας λέει ότι σε ένα χώρο χωρίς πηγές η ροή που εξέρχεται πρέπει να είναι ίση με αυτή που εισέρχεται. Αν η απαίτηση (3 ικανοποιείται τότε το πρόβλημα έχει λύση μόνο που αυτή δεν είναι μοναδική : Η εξίσωση Laplace έχει μη μηδενική λύση (μια σταθερά την οποία για λόγους κανονικοποίησης μπορούμε να διαλέξουμε να είναι η η οποία ικανοποιεί την ομογενή έκδοση των συνοριακών συνθηκών. Με άλλα λόγια η αλλαγή Ψ Ψ+ (3 είναι συμμετρία του προβλήματος και επομένως η συνάρτηση Green δεν υπάρχει και πρέπει να περάσουμε στη γενικευμένη συνάρτηση Green η οποία είναι λύση της γενικευμένης εξίσωσης Green και είναι τέτοια ώστε Grr (, = δ ( r r + (3 Μπορούμε τώρα να γράψουμε d rg ( r, r = (33 Ψ ( r = d r ( r r Ψ ( r = d r [ G ( r, r ] Ψ ( r (34 δ r Με τη βοήθεια της ταυτότητας ( η τελευταία σχέση θα γραφεί C Ψ ( r = + ds G ( r, r Ψ ( r (35 S n S 9

Στην τελευταία εξίσωση όλα τα στοιχεία είναι γνωστά εκτός από τη σταθερά C = d rψ ( r (36 η οποία λόγω της συμμετρίας (3 παραμένει μη προσδιορίσιμη. Με τη διεύκρινιση αυτή το αποτέλεσμα (35 δίνει την ζητούμενη λύση της εξίσωσης Laplace η οποία συνοδεύεται από μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες Neumann. Να σημειώσουμε στο σημείο αυτό ότι η γενικευμένη συνάρτηση μπορεί να κατασκευασθεί με την τεχνική των ειδώλων αν ακολουθήσουμε τα παρακάτω βήματα: Πρώτα θα γράψουμε Grr (, = G( rr, +Λ ( rr, + φ( rr, (37 Στη σχέση αυτή η συνάρτηση G είναι η συνάρτηση Green που αναφέρεται στον απεριόριστο χώρο. Η συνάρτηση Λ είναι λύση της ομογενούς και η φ είναι λύση της φ = έτσι ώστε η G να ικανοποιεί την εξ. (3. Τη λύση αυτή τη διαλέγουμε με τον πιο απλό δυνατό τρόπο και έτσι ώστε να μην καταστρέφει τη συμμετρία r r της συνάρτησης Green : φ = r + r (38 ( : ο αριθμός των διαστάσεων του χώρου Το υπόλοιπο της ιστορίας είναι η εύρεση της κατάλληλης Λ ώστε ο συνδυασμός (37 να ικανοποιεί την ομογενή εκδοχή των συνοριακών συνθηκών και τη δέσμευση (33. Η διαδικασία αυτή αν και απλή στη διατύπωσή της-είναι αρκετά πιο δύσκολη από την αντίστοιχη που αφορά στις συνθήκες irichlet. 3

3