easy understand for Maxwell eqation, Study notes of Electromagnetism and Electromagnetic Fields Theory

sometimes we felt hard to understand Maxwell equation

Typology: Study notes

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bg1
한국전기연구원 정진교2009. 6. 24 ( [email protected])
테일러의 급수1. (Tayler's series)
테일러의 급수 알아야 하는가Q] ! (Tayler's series) ?
발산정리를 유도하는 과정에서 다음과 같은 급수가 사용되기 때문이다A] Tayler .



‧‧‧
어떤 임의의 함수

,

,
등과 같은
다음과 같은
태로 전개가 된다고 가정하고 계수,
,
,
,
, ...,
등을 구해보자, ..., .
‧‧‧
‧‧‧
(1)
미분하여 정리하면 다음과 같다(1) .
‧‧‧
(2)
⋅
⋅
⋅
‧‧‧
(3)
⋅
⋅
⋅
⋅
‧‧‧
(4)
″′ ⋅
⋅
⋅
‧‧‧
(5)
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
(2), (3), (4), (5)
대입하여 정리하면 계수가 다음과 같이 구해진다.
⋅

⋅

″′ ⋅
″′ 
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
계수
,
,
,
, ...,
대입하여 정리하면 같다, ..., (1) (6) .




″′
‧‧‧

‧‧‧
(6)
테일러의 급수 라고 한다(6) (Tayler‘s series) .
에서 차이상의 고차 미분항을 생략하면 함수(6) 2
에서의 함수값 함수+ 미분 변화율( ) * 방향의 증분
같은 형태로 계산할 있다.
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa
pfd
pfe
pff
pf12

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1. 테일러의 급수(Tayler's series)

Q] 왜! 테일러의 급수 (Tayler's series)를 알아야 하는가?

A] 발산정리를 유도하는 과정에서 다음과 같은 Tayler의 급수가 사용되기 때문이다.

     ^

  (^) ‧‧‧

   

  ‧‧‧   

   

   

  ⋅ 

  ‧⋅ 

     ^

   

  (^) ‧‧‧

  

  

  ‧‧‧

식 (6)을 테일러의 급수 (Tayler‘s series)라고 한다.

  에서의 함수값 ^ + 함수 의 미분 변화율( ) * 방향의 증분  

2. 델 (Del) 미분연산자(differential operator)

나블라 (Nabla)는 기호 (symbol) ∇를 의미한다. 어원은 형상이 비슷한 하프 (Harp)를 의

미하는 그리스어에서 유래되었다. 벡터해석에서 이용되는 델 (Del)은 미분계산을 수행하는

델 (Del)의 정의

델 (Del) 미분 연산자를 이용하여 발산정리를 표현하는 경우 , 임의의 벡터

 

 ⋅  

^

   

   

 ^

 전

전  

전  

전  

전  

 전

 후

 후

후 ⋅

 

후  

후  

후  

의 에대한 변화율 × ^

 후

 전

 후

 좌

 우

 상

 하

 상

 하

 ^

 

 

   

   

 

   

   

   

   

≅  

 

   

   

  (^) lim

→ 

 

델 (Del) 미분 연산자를 이용하여 식 (14)를 표현하면 다음과 같다.

lim

→ 

와의 내적 (Dot Product)에 대

 

 ^ ^

 

벡터해석에서 전위  와 같은 스칼라 장 (field)에서 벡터

 와 같은 벡터장 (field)을 계산

하는 방법이 경사 (Gradient) 이론이다.

 



 



5. 회전 (Curl)정리

Q] 왜! 회전의 정리를 배우는가?

A] 임의의 폐곡선에서 자속밀도를 적분하면 그 폐곡선 내부를 통과하여 흐르는 전류의

크기와 같다는 암페어의 주회법칙(Ampere Circular law)

 

  ∇ ×

  (^) lim

→ 

∇ ×

    (^) lim

→ 



 (^) lim

→ 

   

동일한 방법으로  방향의 

    

    

   

여기서, 

    

   

의 에대한 변화율 × ^

   

   

   

마지막으로  방향의 

    

    

   

그러므로 

    

   

의 에대한 변화율 × 

   

   

   

 

 

  

    

 

    

 

    

 

    

 ^

 ^

 ^

 

   

 

   

 

 ≅ ^

   

lim

  → 

   

다음으로 델 (Del) 미분 연산자를 이용하면 표현하면 다음과 같다.

  ∇ ×

  (^) lim

→ 

∇ ×

  

 (^) lim

→ 

  

 (^) lim

→ 

  ∇ ×

   

   

   

  ∇ ×

  1. 맥스웰 방정식 (Maxwell Equation)의 정리

 ^ ,

   ^

∇ ×

∇ ×

 

 

 ^ ,^

 

패러데이 (Faraday)의 실험결과 :두개의 대전된 구 사이에 있는 어떤 가상의 구 표면을

가우스 (Gauss 법칙 ) :어떤 임의의 폐곡면을 통과하는 전속은 이 폐곡면 내부에 존재하

 

  ^

 ^  (7)

 ^  (8)

비오 - 사바르 (Biot-Savart)의 법칙의 미분형 : 미소전류소를 구현할 수 없으므로 실험적

 ×

그러나 다음과 같은 Biot-Savart의 법칙의 적분형은 실험적으로 증명이 가능하다.

 ^

 ×

암페어 (Ampere)의 주회법칙 : 임의의 폐경로 위에서 자속 벡터

경로 내부를 통과하는 전류의 크기와 같다. 이 법칙은 Biot-Savart의 법칙으로부터 유도

 

폐경로가 x-y평면에 평행하게 놓일 경우 , z방향의 전류밀도의 크기는 다음과 같다.

lim

  → 

   

폐경로가 y-z평면에 평행하게 놓일 경우 , x방향의 전류밀도의 크기는 다음과 같다.

lim

 → 

   

폐경로가 z-x평면에 평행하게 놓일 경우 , y방향의 전류밀도의 크기는 다음과 같다.

lim

  → 

   

스토크스 (Stokes) 정리를 이용하여 정리하면 , 다음과 같다.

∇ ×

 ⋅

 

 

 

^  

 ⋅^

∇ ×

자기장에 대한 가우스 (Gauss)의 법칙 : 자속선은 항상 폐곡선을 형성하며 점전하와 같

∇ ×

 ^ ^

 

∇ ×

 

  ∇ ×

위의 식들을 이용하여 자기장에 대한 포아송 방정식 (Poisson's equation) 유도하면 다

∇ ×

∇ × ∇ ×

  ^ 

 ^  : 쿨롱조건(Coulomb Condition) (19)

: 로렌쯔조건(Lorentz Condition) (20)

쿨롱조건 (Coulomb Condition)을 적용하면

시간에 따라 변하는 시변자장 (time-varying magnetic field)의 경우 맥스웰 방정식을 유

먼저 전류연속방정식 체적( v를 통과하는 전류는 체적내의 전하량 감소분과 같다 .)을 유

 

 ^ ^

∇ ×

∇⋅ ∇ ×

 ^ ^

∇⋅ ∇ ×

   ∇⋅ ^

^

^ (27)

∇⋅ ∇ ×

  ^ ∇⋅

 ^ ∇⋅

벡터항등식 [∇⋅ ∇ ×

 ≡  ]을 적용하면 식 (28)의 우변은 다음을 만족하여야 한다.

 ^

∇ ×