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2023-09-08 - No Flux Given

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EGR-326 ELECTROMAGNETIC FIELDS
NO FLUX GIVEN
SEPTEMBER 8, 2023
DORDT UNIVERSITY
FALL 2023
DR. WYENBERG
STREAMLINES
-1
+1
-1
+2
-1
CHAPTER 3 – ELECTRIC FIELD DENSITY
• Geometrical interpretation of Electric Fields – introduction of Electric Flux
Ψ = 𝑄𝑄
𝐷𝐷 = πœ–πœ–0 𝐸𝐸 =
𝑄𝑄
π‘Ÿπ‘ŸΜ‚
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 2
𝐷𝐷 is measured in Coulombs per square meter (remember that πœ–πœ–0 is the conversion factor between electric
charge and force; it has units of Coulombs squared per Newton meter squared)
GAUSS’ LAW
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
Use Gauss’ Law to calculate the flux density (and hence the electric field strength):
1. Surrounding a point charge 𝑄𝑄
2. Surrounding a line charge with charge density πœŒπœŒπ‘™π‘™
3. Surrounding a plane with charge density πœŒπœŒπ‘ π‘ 
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
Use Gauss’ Law to calculate the charge enclosed in a small volume of space
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
βˆ†π‘‰π‘‰
=
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•π‘¦π‘¦
πœ•πœ•π‘§π‘§
πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ =
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•π‘¦π‘¦
πœ•πœ•π‘§π‘§
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯
𝑧𝑧
+1C
−1C
𝑦𝑦
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
𝐷𝐷𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
𝐷𝐷𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧 + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦 + βˆ†π‘™π‘™, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ 𝐴𝐴
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = −𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ 𝐴𝐴
𝑆𝑆
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ βˆ†π‘™π‘™2
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = −𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ βˆ†π‘™π‘™2
𝑆𝑆
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ βˆ†π‘™π‘™ 2 − 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ βˆ†π‘™π‘™2
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ βˆ†π‘™π‘™ 2 − 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ βˆ†π‘™π‘™2
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + 𝛼𝛼 ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + 𝛼𝛼
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ βˆ†π‘™π‘™ 2 − 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ βˆ†π‘™π‘™2
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
βˆ†π‘™π‘™ 2 − 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ βˆ†π‘™π‘™2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = βˆ†π‘™π‘™ 3
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = βˆ†π‘™π‘™ 3
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = βˆ†π‘™π‘™ 3
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ 6C/M 2 3
=
βˆ†π‘™π‘™
πœ•πœ•πœ•πœ•
βˆ†π‘™π‘™
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = βˆ†π‘™π‘™ 3
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•π‘¦π‘¦
πœ•πœ•π‘§π‘§
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = βˆ†π‘™π‘™ 3
𝑆𝑆
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
= 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•π‘¦π‘¦
πœ•πœ•π‘§π‘§
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§ 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
+
+
=
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
βˆ†π‘™π‘™ 3
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§ 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
+
+
=
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
= πœŒπœŒπ‘£π‘£
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ = −1C/m2
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™ ≈ 𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™
π‘₯π‘₯ + βˆ†π‘™π‘™, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝐷𝐷π‘₯π‘₯ π‘₯π‘₯ = −7.5C/m2
π‘₯π‘₯, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧
Implies…
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ =
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ =
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ =
π‘₯π‘₯οΏ½ +
𝑦𝑦� + 𝑧𝑧̂ οΏ½ 𝐷𝐷
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•
∇=
π‘₯π‘₯οΏ½ +
𝑦𝑦� + 𝑧𝑧̂ → πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ = ∇ οΏ½ 𝐷𝐷
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
∇ is the “del” operator, and ∇ οΏ½ 𝐷𝐷 is the “divergence of 𝐷𝐷.”
“The charge density in space is the divergence of the electric flux density.” Which should make sense,
because electric flux is created by charge!
DIVERGENCE OF OTHER VECTOR FIELDS
• Divergence of water in a bathtub vs. air in a popped tire
DIVERGENCE THEOREM
πœŒπœŒπ‘‰π‘‰ = ∇ οΏ½ 𝐷𝐷
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑𝑆𝑆⃗ = οΏ½ πœŒπœŒπ‘£π‘£ 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = οΏ½ ∇ οΏ½ 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DEL OPERATOR IN OTHER COORDINATE SYSTEMS
∇=
πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•
πœ•πœ•π·π·π‘₯π‘₯ πœ•πœ•π·π·π‘¦π‘¦ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
π‘₯π‘₯οΏ½ +
𝑦𝑦� + 𝑧𝑧̂ → ∇ οΏ½ 𝐷𝐷 =
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœ•πœ•
1 πœ•πœ•
1 πœ•πœ•
πœ•πœ•
1 πœ•πœ•
1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
οΏ½
+
∇=
πœŒπœŒβƒ— +
(𝜌𝜌𝐷𝐷𝜌𝜌 ) +
πœ™πœ™ + 𝑧𝑧̂ → ∇ οΏ½ 𝐷𝐷 =
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœŒπœŒ
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœ™πœ™
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœŒπœŒ
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœ™πœ™
1 πœ•πœ•
1
πœ•πœ•
1
πœ•πœ•
1 πœ•πœ• 2
1
πœ•πœ•
1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™
Μ‚
οΏ½
∇= 2 π‘Ÿπ‘Ÿπ‘Ÿπ‘Ÿβƒ— +
(sin πœƒπœƒ πœƒπœƒ) +
π‘Ÿπ‘Ÿ π·π·π‘Ÿπ‘Ÿ +
(sin πœƒπœƒ π·π·πœƒπœƒ ) +
πœ™πœ™ → ∇ οΏ½ 𝐷𝐷 = 2
π‘Ÿπ‘Ÿ πœ•πœ•π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœ™πœ™
π‘Ÿπ‘Ÿ πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœ™πœ™
DEL OPERATOR IN OTHER COORDINATE SYSTEMS
1 πœ•πœ•
1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
∇ οΏ½ 𝐷𝐷 =
𝜌𝜌𝐷𝐷𝜌𝜌 +
πœ•πœ•πœ•πœ•
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœŒπœŒ
𝜌𝜌 πœ•πœ•πœ™πœ™
𝐷𝐷𝜌𝜌 πœ•πœ•π·π·πœŒπœŒ 1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™ πœ•πœ•π·π·π‘§π‘§
+
+
+
∇ οΏ½ 𝐷𝐷 =
𝜌𝜌
πœ•πœ•πœŒπœŒ 𝜌𝜌 πœ•πœ•πœ™πœ™
πœ•πœ•πœ•πœ•
DEL OPERATOR IN OTHER COORDINATE SYSTEMS
1 πœ•πœ• 2
1
πœ•πœ•
1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™
∇ οΏ½ 𝐷𝐷 = 2
π‘Ÿπ‘Ÿ π·π·π‘Ÿπ‘Ÿ +
(sin πœƒπœƒ π·π·πœƒπœƒ ) +
π‘Ÿπ‘Ÿ πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœ™πœ™
2π·π·π‘Ÿπ‘Ÿ πœ•πœ•π·π·π‘Ÿπ‘Ÿ 1
πœ•πœ•π·π·πœƒπœƒ
1 πœ•πœ•π·π·πœ™πœ™
+
+
+
∇ οΏ½ 𝐷𝐷 =
cot πœƒπœƒ π·π·πœƒπœƒ +
π‘Ÿπ‘Ÿ
πœ•πœ•πœ•πœ•
πœ•πœ•πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœ™πœ™
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
Check that the divergence theorem holds for the electric flux density caused by a 1C charge at the origin:
1Cπ‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
𝐷𝐷 =
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
1Cπ‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
οΏ½ 𝐷𝐷𝑆𝑆 οΏ½ 𝑑𝑑 𝑆𝑆⃗ = οΏ½ ∇ οΏ½ 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑆𝑆
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1Cπ‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
1Cπ‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
οΏ½
π‘Ÿπ‘Ÿ
Μ‚
=
οΏ½
∇
οΏ½
𝑑𝑑𝑑𝑑
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
=
οΏ½
∇
οΏ½
𝑑𝑑𝑑𝑑
π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1
1 πœ•πœ•
1
πœ•πœ•
1
πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
Μ‚ +
οΏ½ οΏ½ 𝑑𝑑𝑑𝑑
=
οΏ½
π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿ
βƒ—
+
sin
πœƒπœƒ
πœƒπœƒ
πœ™πœ™
π‘Ÿπ‘Ÿ 2
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿ sin πœƒπœƒ πœ•πœ•πœ™πœ™
π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1
1 πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
=
οΏ½
π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿ
βƒ—
οΏ½
𝑑𝑑𝑑𝑑
π‘Ÿπ‘Ÿ 2
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1
1 πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
=
οΏ½
π‘Ÿπ‘Ÿ
π‘Ÿπ‘Ÿ
βƒ—
οΏ½
π‘Ÿπ‘Ÿ 2
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
οΏ½
𝑆𝑆
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1
1 πœ•πœ•
=
οΏ½
1
π‘Ÿπ‘Ÿ 2
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
πœ‹πœ‹ 2πœ‹πœ‹
οΏ½οΏ½
0 0
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1
1 πœ•πœ•
π‘Ÿπ‘Ÿ
sin
πœƒπœƒ
π‘Ÿπ‘Ÿπ‘Ÿπ‘Ÿπœ™πœ™πœ™πœ™πœ™πœ™
=
οΏ½
1
π‘Ÿπ‘Ÿ 2
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
πœ‹πœ‹ 2πœ‹πœ‹
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
οΏ½ οΏ½ sin πœƒπœƒ π‘‘π‘‘πœ™πœ™πœ™πœ™πœ™πœ™ = οΏ½
0 0
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
1 πœ•πœ•
1
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
πœ‹πœ‹
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
2πœ‹πœ‹ οΏ½ sin πœƒπœƒ 𝑑𝑑𝑑𝑑 = οΏ½
0
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
1 πœ•πœ•
1
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
4πœ‹πœ‹ = οΏ½
π‘£π‘£π‘œπ‘œπ‘œπ‘œ
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1 πœ•πœ•
1
π‘Ÿπ‘Ÿ 2 πœ•πœ•πœ•πœ•
𝑑𝑑𝑑𝑑
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
𝐷𝐷 =
𝑅𝑅 πœ‹πœ‹ 2πœ‹πœ‹
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
1 πœ•πœ•
4πœ‹πœ‹ = οΏ½ οΏ½ οΏ½ 2
1 π‘Ÿπ‘Ÿ 2 sin πœƒπœƒ π‘‘π‘‘πœ™πœ™π‘‘π‘‘πœƒπœƒπ‘‘π‘‘π‘‘π‘‘
π‘Ÿπ‘Ÿ πœ•πœ•πœ•πœ•
0 0 0
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
𝐷𝐷 =
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘Ÿπ‘Ÿ
4πœ‹πœ‹ = 4πœ‹πœ‹ οΏ½
0
πœ•πœ•
1 𝑑𝑑𝑑𝑑
πœ•πœ•πœ•πœ•
DIVERGENCE THEOREM EXAMPLE
π‘Ÿπ‘Ÿβƒ—
𝐷𝐷 =
4πœ‹πœ‹π‘Ÿπ‘Ÿ 3
π‘Ÿπ‘Ÿ
4πœ‹πœ‹ = 4πœ‹πœ‹ οΏ½
0
πœ•πœ•
1 𝑑𝑑𝑑𝑑
πœ•πœ•πœ•πœ•
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