Elektrodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD
|
Der Artikel Elektrische Multipolentwicklung basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 1.Kapitels (Abschnitt 4) der Elektrodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD.
|
{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=1|Abschnitt=4}}
__SHOWFACTBOX__
Betrachtet man räumlich begrenzte Ladungsverteilungen
in der Nähe des Ursprungs
, so kann man sich Gedanken machen um das asymptotische Verhalten von
![{\displaystyle \Phi ({\bar {r}})=\int _{-\infty }^{\infty }{}{\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})}{|{\bar {r}}-{\bar {r}}{\acute {\ }}|}}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/165738b66e1791b7530c83cf585b9379786832ba)
für
machen:
Methode: Der Integrand wird als Taylorreihe entwickelt für
:
![{\displaystyle G({\bar {r}}-{\bar {r}}{\acute {\ }})=\sum \limits _{l=0}^{\infty }{}{\frac {{\left(-1\right)}^{l}}{l!}}{{\left({\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {{\nabla }_{r}}\right)}^{l}}G({\bar {r}})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/71ba94955ac2024ed3f826050c5ea4af1c2f093c)
Also
![{\displaystyle \Phi ({\bar {r}})=\int _{-\infty }^{\infty }{}G({\bar {r}}-{\bar {r}}{\acute {\ }})\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }}){{d}^{3}}r{\acute {\ }}=\sum \limits _{l=0}^{\infty }{}{\frac {{\left(-1\right)}^{l}}{l!}}\int _{}^{}{d_{^{}}^{3}r{\acute {\ }}}{{\left({\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {{\nabla }_{r}}\right)}^{l}}G({\bar {r}})\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/69fa74776e74ba28de983ea392b2c4afd372a71f)
explizit für unsere Situation:
![{\displaystyle G({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {1}{|{\bar {r}}|}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/213b56a48bbda3459fe648130fe245e025071636)
![{\displaystyle {\frac {1}{|{\bar {r}}-{\bar {r}}{\acute {\ }}|}}={{\left({{r}^{2}}-2rr{\acute {\ }}\cos \vartheta +r{{\acute {\ }}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}={\frac {1}{r}}{{\left(1-2{\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\cos \vartheta +{{\left({\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\right)}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a7db03648d07802b8a4ebb28804455f1c06daaae)
Wobei
den Winkel zwischen
und
bezeichnet.
Betrachtet man die hierbei entstehende Reihe, die für
und
konvergiert, so definiert diese Reihe gerade die sogenannten Kugelfunktionen (Legendre-Polynome{{#set:Fachbegriff=Legendre-Polynome|Index=Legendre-Polynome}}):
![{\displaystyle {{P}_{l}}(\xi )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c5570d8a7681b5f2b682a574fc72649b4ca2d14)
![{\displaystyle {{\left(1-2{\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\xi +{{\left({\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\right)}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}=\sum \limits _{l=0}^{\infty }{}{{\left({\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\right)}^{l}}{{P}_{l}}(\xi )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e1bba045508d8b2b0762520647d15bca222fb435)
Also sind die Legendre- Polynome gerade definiert über ihre Eigenschaft, als Entwicklungsfunktionen einer Potenzreihe (Taylorreihe) multipliziert mit
in jeweils l-ter Ordnung die Funktion
![{\displaystyle {{\left(1-2{\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\xi +{{\left({\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\right)}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/90d073b16be3c358414bb80db55a8c443cf1d115)
zu ergeben, die wiederum das r- Fache von
ist.
Also:
![{\displaystyle {{P}_{l}}(\xi )={\frac {1}{l!}}\left({\frac {{\partial }^{l}}{\partial {{t}^{l}}}}{{\left(1-2t\xi +{{t}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33fd5367aa943a5210a01cd7c27ae0b562a64cda)
Insbesondere folgt damit:
![{\displaystyle {{P}_{l}}(\xi )={\frac {1}{l!}}\left({\frac {{\partial }^{l}}{\partial {{t}^{l}}}}{{\left(1-2t\xi +{{t}^{2}}\right)}^{-{\frac {1}{2}}}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33fd5367aa943a5210a01cd7c27ae0b562a64cda)
und speziell:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{{P}_{0}}(\xi )=1\\&{{P}_{1}}(\xi )=\xi =\cos \vartheta \\&{{P}_{2}}(\xi )={\frac {1}{2}}\left(3{{\xi }^{2}}-1\right)=={\frac {1}{4}}\left(3{{\cos }^{2}}\vartheta +1\right)\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c5dbda3e51c2d186f1521db26a81c7dcc8c33b5e)
Also:
![{\displaystyle \Phi ({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {1}{r}}\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\sum \limits _{l=0}^{\infty }{}{{\left({\frac {r{\acute {\ }}}{r}}\right)}^{l}}{{P}_{l}}(\cos \vartheta )={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}\sum \limits _{l=0}^{\infty }{}{{Q}_{l}}{{r}^{-l-1}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8da5d1aa2b22ef266324990a36788a621ae705bc)
Mit
![{\displaystyle {{Q}_{l}}=\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}r{{\acute {\ }}^{l}}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }}){{P}_{l}}(\cos \vartheta )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a6fde3b8384d67adf0d3359735b4827a1d7f44a)
als 2l- Pol
Die Multipolentwicklung (Entwicklung nach 2l- Polen) entspricht also einer Entwicklung ach Potenzen von r!!
Für stark lokalisierte Ladungsverteilungen (r´<<r) konvergiert die Reihe jedoch sehr schnell!
Man erhält sehr schnelle Konvergenz für dezentrale Ladungsverteilungen, wenn man für
- Punktladungen bis zum Monopol entwickelt
- Ladungsverteilungen entlang einer Geraden bis zum Dipol entwickelt
- Ladungsverteilungen in einem Rechteck bis zum Quadrupol entwickelt usw...
![{\displaystyle l=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/66485a3e3da13d226eb36a131bf1fc7e16403a5e)
![{\displaystyle {{\Phi }^{(0)}}({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {{Q}_{0}}{r}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ac1f36a832d7b7d0a246f90320fcf288acce4c6)
![{\displaystyle {{Q}_{0}}=\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/084c8588e095ca20804706a5543b81149f334201)
sogenannter Monopol{{#set:Fachbegriff=Monopol|Index=Monopol}} (die Gesamtladung).
Der Monopol entspricht dem Feld einer Gesamtladung, die im Ursprung zentriert ist. Er fällt am langsamsten ab, die Ladungsverteilung wirkt in großer Entfernung wie eine Punktladung
l=1:
![{\displaystyle {{\Phi }^{(1)}}({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {{\bar {p}}\cdot {\bar {r}}}{{r}^{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4522a782a45bde74ff83e8106d643af95217799d)
![{\displaystyle {{Q}_{1}}=\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})r{\acute {\ }}\cos \vartheta ={\frac {{\bar {p}}\cdot {\bar {r}}}{r}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ac25d0a8949f2660f320c0a34ff14d6d59d75bfc)
Mit dem Dipolmoment{{#set:Fachbegriff=Dipolmoment|Index=Dipolmoment}}
![{\displaystyle {\bar {p}}:=\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }}){\bar {r}}{\acute {\ }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a747ffcd127d0cfd7b0cb3b56dcedbbba17e9698)
Das Dipolpotenzial fällt also
ab.
Das Dipolmoment ist der wichtigste Term für insgesamt neutrale Körper (
).
{{Beispiel:Beispiel: 2 Punktladungen q, -q bei
:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})=q\left[\delta \left({\bar {r}}{\acute {\ }}-{{\bar {r}}_{1}}\right)-\delta \left({\bar {r}}{\acute {\ }}-{{\bar {r}}_{2}}\right)\right]\\&{{Q}_{0}}=0\\&{\bar {p}}=q\left({{\bar {r}}_{1}}-{{\bar {r}}_{2}}\right)=q\cdot {\bar {a}}\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0b646a62cbdc8c1fc0722fc8658d16cd45e2a248)
Feld des Dipolpotenzials:
![{\displaystyle {{E}_{i}}=-{\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {\partial }{\partial {{x}_{i}}}}{\frac {{{p}_{k}}\cdot {{x}_{k}}}{{r}^{3}}}={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}\left[{\frac {3{{x}_{i}}\cdot {{p}_{k}}\cdot {{x}_{k}}}{r5}}-{{\delta }_{ik}}{\frac {{p}_{k}}{{r}^{3}}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4adea2f8b14cc2570ecacae8d838fbb36523e03)
![{\displaystyle \Rightarrow E({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {1}{{r}^{5}}}\left[3\left({\bar {p}}\cdot {\bar {r}}\right){\bar {r}}-{{r}^{2}}{\bar {p}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6d42c57ed011aae8593eafb0486eac5cbd1b0bca)
Im Fernfeld für r gegen unendlich gilt damit:
}}
l=2:
![{\displaystyle {{\Phi }^{(2)}}({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {{Q}_{2}}{{r}^{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/32bd1b8419bef92b5c91140824f821d237889309)
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{{Q}_{2}}={\frac {1}{2}}\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})r{{\acute {\ }}^{2}}\left(3{{\cos }^{2}}\vartheta -1\right)={\frac {1}{2}}\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\left(3{\frac {{\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {\bar {r}}}{r}}{\frac {{\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {\bar {r}}}{r}}-{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}\right)\\&{\frac {{\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {\bar {r}}}{r}}{\frac {{\bar {r}}{\acute {\ }}\cdot {\bar {r}}}{r}}={\frac {{{x}_{k}}{\acute {\ }}{{x}_{k}}{{x}_{l}}{\acute {\ }}{{x}_{l}}}{{r}^{2}}}\\&\Rightarrow {{Q}_{2}}={\frac {1}{2{{r}^{2}}}}\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\left(3{{x}_{k}}{\acute {\ }}{{x}_{l}}{\acute {\ }}-{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}{{\delta }_{kl}}\right)\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54f8236b7e05596e1d7ed0f76a70d867e7e9a465)
Dieses Objekt ist jedoch ein Tensor zweiter Stufe. Demnach erhalten wir einen Tenor zweiter Stufe als Quadrupolmoment{{#set:Fachbegriff=Quadrupolmoment|Index=Quadrupolmoment}}:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{{Q}_{2}}={\frac {1}{2{{r}^{2}}}}{{Q}_{kl}}\\&\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\left(3{{x}_{k}}{\acute {\ }}{{x}_{l}}{\acute {\ }}-{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}{{\delta }_{kl}}\right)={{Q}_{kl}}\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b14472c31e1bf355b05530b2dd03e42a093fe1b)
![{\displaystyle {{Q}_{kl}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a0e042b739349c152240db831f253ec5391d84c1)
ist ein spurfreier und symmetrischer Tensor:
![{\displaystyle \sum \limits _{i=1}^{3}{}{{Q}_{ii}}=\sum \limits _{i=1}^{3}{}\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\left(3{{x}_{i}}{\acute {\ }}{{x}_{i}}{\acute {\ }}-{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}{{\delta }_{ii}}\right)=\int _{-\infty }^{\infty }{}{{d}^{3}}r{\acute {\ }}\rho ({\bar {r}}{\acute {\ }})\left(3{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}-3{\bar {r}}{{\acute {\ }}^{2}}\right)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/055fea88777963228beea18d0c56d4fda31dd030)
Dies ist jedoch gerade damit gleichbedeutend, dass eine orthogonale Transformation auf Diagonalform existiert:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{{Q}_{kl}}=0f{\ddot {u}}r\quad k\neq l\\&{{Q}_{11}}+{{Q}_{22}}+{{Q}_{33}}=0\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/66223a613814ecbc85c844496dea548073034d64)
Somit existieren nur noch 2 unabhängige Komponenten des Quadrupolmoments. Der Rest ergibt sich durch die Spurfreiheit!
Für das Potenzial ergibt sich:
![{\displaystyle {{\Phi }^{(2)}}({\bar {r}})={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {1}{2{{r}^{5}}}}{{Q}_{kl}}{{x}_{k}}{{x}_{l}}={\frac {1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}}}{\frac {{\bar {r}}\cdot {\bar {\bar {Q}}}\cdot {\bar {r}}}{2{{r}^{5}}}}{\tilde {\ }}{\frac {1}{{r}^{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1b352e926231e28599734a0e696d92fee3079b60)
Beispiel: 2 entgegengesetzte Dipole:
|
__SHOWFACTBOX__