Magnetische Multipole: Difference between revisions

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<noinclude>{{Scripthinweis|Elektrodynamik|2|4}}</noinclude>
<noinclude>{{Scripthinweis|Elektrodynamik|2|4}}</noinclude>
 
== (stationär)==
( stationär)


Ausgangspunkt ist
Ausgangspunkt ist
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi }\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\frac{\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi }\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\frac{\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
(mit der Coulomb- Eichung
(mit der Coulomb- Eichung <math>\nabla \cdot \bar{A}(\bar{r})=0</math>)
:<math>\nabla \cdot \bar{A}(\bar{r})=0</math>
 
)


mit den Randbedingungen
mit den Randbedingungen
:<math>\bar{A}(\bar{r})\to 0</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})\to 0</math> für r→ unendlich
für r→ unendlich


Taylorentwicklung nach
Taylorentwicklung nach
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
von analog zum elektrischen Fall:
von analog zum elektrischen Fall:
Die Stromverteilung
 
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math>
Die Stromverteilung <math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math> sei stationär für <math>r>>r\acute{\ }</math>
sei stationär für
:<math>r>>r\acute{\ }</math>


:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}=\frac{1}{r}+\frac{1}{{{r}^{3}}}\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}=\frac{1}{r}+\frac{1}{{{r}^{3}}}\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
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:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi r}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })+\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi r}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })+\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>


'''Monopol- Term'''
===Monopol- Term===


'''Mit'''
'''Mit'''
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:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{x}_{k}}\acute{\ }\left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)+\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{x}_{k}}\acute{\ }\left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)+\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)</math>


Im stationären Fall folgt aus der Kontinuitätsgleichung:
Im stationären Fall folgt aus der {{FB|Kontinuitätsgleichung}}:


:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ })=0</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ })=0</math>
Line 37: Line 32:
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)={{j}_{l}}{{\delta }_{kl}}={{j}_{k}}</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)={{j}_{l}}{{\delta }_{kl}}={{j}_{k}}</math>


Mit
Mit <math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{j}_{k}}</math> folgt dann:
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{j}_{k}}</math>
folgt dann:


:<math>\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{j}_{k}}(\bar{r}\acute{\ })=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>
:<math>\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{j}_{k}}(\bar{r}\acute{\ })=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>


Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie
<u>Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie.</u>


'''Dipol- Term'''
=== Dipol- Term ===


mit


:<math>\left[ \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]\times \bar{r}=\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ }=2\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>
mit <math>\left[ \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]\times \bar{r}=\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ }=2\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math> und mit
 
und mit


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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:<math>\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=0</math>
:<math>\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=0</math>
weil der Strom verschwindet !
weil der Strom verschwindet!
Somit gibt der Term
Somit gibt der Term


:<math>\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>
:<math>\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>


keinen Beitrag zum
'''keinen Beitrag zum'''


:<math>\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)</math>
:<math>\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)</math>
Line 79: Line 69:
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\frac{1}{2}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\left( \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)\times \bar{r}</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\frac{1}{2}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\left( \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)\times \bar{r}</math>


Als DIPOLPOTENZIAL !!
Als {{FB|Dipolpotenzial}}!!


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 86: Line 76:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


das magnetische Dipolmoment !
das magnetische Dipolmoment!


Analog zu
Analog zu
Line 115: Line 105:


:<math>\bar{E}(\bar{r}):=\frac{1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{r}^{5}}}\left[ 3\left( \bar{p}\cdot \bar{r} \right)-{{r}^{2}}\bar{p} \right]</math>
:<math>\bar{E}(\bar{r}):=\frac{1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{r}^{5}}}\left[ 3\left( \bar{p}\cdot \bar{r} \right)-{{r}^{2}}\bar{p} \right]</math>
 
{{Beispiel|1=
<u>'''Beispiel: Ebene Leiterschleife L:'''</u>
Beispiel: Ebene Leiterschleife L:




Line 134: Line 124:
die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F
die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F


Also: Ein Ringstrom bedingt ein magnetisches Dipolmoment
Also: Ein Ringstrom bedingt ein {{FB|magnetisches Dipolmoment}} <math>\bar{m}</math> }}
:<math>\bar{m}</math>


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment
:<math>\bar{p}=q\bar{a}</math>,
welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment
:<math>\bar{p}=q\bar{a}</math>
, welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


<u>'''Bewegte Ladungen'''</u>
=== Bewegte Ladungen ===
N Teilchen mit den Massen mi und den Ladungen qi bewegen sich.


Dabei sei die spezifische Ladung
N Teilchen mit den Massen m<sub>i</sub> und den Ladungen q<sub>i</sub> bewegen sich.


:<math>\frac{{{q}_{i}}}{{{m}_{i}}}=\frac{q}{m}</math>
Dabei sei die spezifische Ladung <math>\frac{{{q}_{i}}}{{{m}_{i}}}=\frac{q}{m}</math> konstant:
konstant:


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 156: Line 143:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Das magnetische Dipolmoment beträgt:
Das {{FB|magnetische Dipolmoment}} beträgt:


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 164: Line 151:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Mit dem Bahndrehimpuls
Mit dem {{FB|Bahndrehimpuls}} <math>\bar{L}</math>:
:<math>\bar{L}</math>
:


:<math>\bar{m}=\frac{q}{2m}\bar{L}</math>
:<math>\bar{m}=\frac{q}{2m}\bar{L}</math>
gilt aber auch für starre Körper !
gilt aber auch für starre Körper!
* Allgemeines Gesetz !
* Allgemeines Gesetz!


Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons !!!
Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons!!!


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 179: Line 164:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen !
Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen!


'''Kraft auf eine Stromverteilung:'''
==== Kraft auf eine Stromverteilung ====


:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })={{\rho }_{i}}(\bar{r}\acute{\ })\bar{v}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })={{\rho }_{i}}(\bar{r}\acute{\ })\bar{v}(\bar{r}\acute{\ })</math>


im Feld einer externen magnetischen Induktion
im Feld einer externen {{FB|magnetischen Induktion}} <math>\bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>:
:<math>\bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:


Spürt die Lorentzkraft
Spürt die {{FB|Lorentzkraft}}


:<math>\bar{F}=\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\times \bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:<math>\bar{F}=\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\times \bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
Line 202: Line 185:
im stationären Fall gilt wieder:
im stationären Fall gilt wieder:


:<math>\left[ \int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>
:<math>\left[ \int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math> (keine Monopole)
( keine Monopole)
Also:
Also:


Line 217: Line 199:
:<math>\left[ {{\nabla }_{r}}\times \bar{B}(\bar{r}) \right]=0</math>
:<math>\left[ {{\nabla }_{r}}\times \bar{B}(\bar{r}) \right]=0</math>


( Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von
(Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von <math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math> haben:
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math>
haben:


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 229: Line 209:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


( Vergl. S. 34)
(Vergl. S. 34)

Latest revision as of 12:18, 16 September 2010


{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=2|Abschnitt=4}} __SHOWFACTBOX__


(stationär)[edit | edit source]

Ausgangspunkt ist

(mit der Coulomb- Eichung )


mit den Randbedingungen

für r→ unendlich

Taylorentwicklung nach

von analog zum elektrischen Fall:

Die Stromverteilung sei stationär für

Monopol- Term[edit | edit source]

Mit

Im stationären Fall folgt aus der Kontinuitätsgleichung{{#set:Fachbegriff=Kontinuitätsgleichung|Index=Kontinuitätsgleichung}}:

Mit folgt dann:

Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie.

Dipol- Term[edit | edit source]

mit und mit

Folgt:

Da

weil der Strom verschwindet! Somit gibt der Term

keinen Beitrag zum

Also:

Als Dipolpotenzial{{#set:Fachbegriff=Dipolpotenzial|Index=Dipolpotenzial}}!!

das magnetische Dipolmoment!

Analog zu

dem elektrischen Dipolmoment

Die magnetische Induktion des Dipolmomentes ergibt sich als:

Wegen:

mit

Analog ergab sich als elektrisches Dipolfeld:

Beispiel: Ebene Leiterschleife L:


Mit I = Strom durch den Leiter

Dabei ist

die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F

Also: Ein Ringstrom bedingt ein magnetisches Dipolmoment{{#set:Fachbegriff=magnetisches Dipolmoment|Index=magnetisches Dipolmoment}}


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment

,
welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


Bewegte Ladungen[edit | edit source]

N Teilchen mit den Massen mi und den Ladungen qi bewegen sich.

Dabei sei die spezifische Ladung konstant:

Das magnetische Dipolmoment{{#set:Fachbegriff=magnetische Dipolmoment|Index=magnetische Dipolmoment}} beträgt:

Mit dem Bahndrehimpuls{{#set:Fachbegriff=Bahndrehimpuls|Index=Bahndrehimpuls}} :

gilt aber auch für starre Körper!

  • Allgemeines Gesetz!

Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons!!!

Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen!

Kraft auf eine Stromverteilung[edit | edit source]

im Feld einer externen magnetischen Induktion{{#set:Fachbegriff=magnetischen Induktion|Index=magnetischen Induktion}} :

Spürt die Lorentzkraft{{#set:Fachbegriff=Lorentzkraft|Index=Lorentzkraft}}

Talyorentwicklung liefert:

im stationären Fall gilt wieder:

(keine Monopole)

Also:

Man fordert:

(Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von haben:

(Vergl. S. 34)