Equazioni d`onda e loro soluzioni

annuncio pubblicitario
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
Equazioni d’onda e loro soluzioni
Le equazioni di Maxwell danno una descrizione completa delle
relazioni tra i campi elettromagnetici, le cariche e le distribuzioni di
correnti e costituiscono il modello matematico della teoria
elettromagnetica.
Speciali tecniche analitiche e numeriche forniscono procedimenti
risolutivi, senza incrementare o modificare la struttura fondamentale
delle equazioni di Maxwell sulle quali sono basate, ciò fa
comprendere la loro importanza e potenzialità.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
1
Equazioni d’onda e loro soluzioni
Attraverso le equazioni di Maxwell si definiscono:
V potenziale elettrico scalare e
A potenziale magnetico vettoriale.
La conoscenza dei due potenziali in funzioni delle sorgenti
(cause) di campo ρ e J , consente di definire in qualunque
punto tutte le altre grandezze grandezze elettromagnetiche a
queste legate (effetti).
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
2
In generale risultano applicabili le equazioni d’onda non omogenee.
Esse si riducono alle equazioni di Poisson nel caso di campi statici :
equazioni d’onda non omogenee ⇒
∂2 A
∇ A − µε 2 = − µ J
∂t
2
∂ 2V
ρ
∇ V − µε 2 = −
∂t
ε
2
soluzione e. di Poisson
⇒
µ0
J
A=
dv'
∫
4 π V' R
⇒
1
ρ
V=
dv'
∫
4 πε0 V' R
V potenziale elettrico scalare e
A potenziale magnetico vettoriale.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
3
Equazioni d’onda e loro soluzioni
Ci si propone ora di studiare:
le soluzioni delle equazioni d’onda non omogenee
considerando
• prima il caso più semplice di un campo elettromagnetico
generato da una carica elementare puntiforme ρ(t) ∆v' al
tempo t,
• estendendo poi il procedimento al caso più generale di una
distribuzione di cariche qualsiasi, sommando gli effetti di
tutte le cariche elementari in una regione data.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
4
Soluzione delle equazioni d’onda per potenziali
Si vuole determinare la soluzione della equazione non omogenea
per il potenziale scalare:
2
∂ 2V
ρ
∇ V − µε 2 = −
∂t
ε
Per fare ciò si consideri da prima la soluzione per il caso di una
carica elementare puntiforme al tempo t, ρ(t) ∆v' localizzata
nell’origine degli assi.
z
P(x,y,z)
Per la simmetria sferica della carica puntiforme
R
é conveniente considerare le coordinate sferiche,
ρ(t)
y
così che il potenziale V dipende solo dalla
dv’
coordinata della distanza R e dal tempo t.
x
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
5
V soddisfa la seguente equazione omogenea per tutti i punti, fatta
eccezione per l’origine, dove è localizzata la carica elementare:
z
P(x,y,z)
1 ∂ ⎛ 2 ∂V ⎞
∂ 2V
⎜R
⎟ − µε 2 = 0
R
2
∂t
R ∂R ⎝ ∂R ⎠
ρ(t)
y
dv’
x
Se si introduce una nuova variabile U(R,t) legata a V dalla
1
relazione:
V(R,t) = U (R,t )
R
si ottiene una espressione più semplice detta equazione d’onda
omogenea unidimensionale:
2
2
∂ U
∂ U
− µε 2 = 0
2
∂R
∂t
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
6
Si può dimostrare per sostituzione diretta che ogni funzione f
di:
(t − R µε ) o di (t + R µε )
due volte differenziabile, é una soluzione della equazione
d’onda omogenea unidimensionale, quindi si ha:
U(R,t) = f(t − R µε )
Questa equazione rappresenta un’onda che viaggia nella
direzione radiale R con velocità u = 1/ µε .
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
7
U(R,t) = f(t − R µε )
Poiché ∆t = ∆R µε = ∆R/u, con u = 1/ µε è velocità di
propagazione, la funzione per, R+∆R e t+ ∆t é :
[
]
U(R+ ∆R,t+ ∆t)= f t + ∆t − (R + ∆R) µε =
[
] (
)
= f t + ∆R µε − R − ∆R µε = f t − R µε .
quindi la funzione traslando al variare del tempo (all’aumentare di
R e di t), conserva la sua forma.
Si può quindi scrivere:
1
1
V(R,t) = U ( R , t ) = f(t − R / u).
R
R
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
8
Per determinare la funzione specifica f(t-R/u), si ricorda che il
potenziale V dovuto a una carica puntiforme statica q = ρ ( t )∆v'
nell’origine, pari a:
ρ(t)∆v'
∆V ( R ) =
4πεR
Quindi si adatta questo modello matematico per tener conto del
ritardo R/u con cui si sente l’effetto della densità di carica ρ ,
alla distanza R, in modo che sia soddisfatta anche l’espressione:
1
∆V(R,t) = f(t − R/u)
R
1
ρ(t − R / u )∆v'
Ottenendo che: ∆V(R , t ) = ∆f (t − R / u ) =
R
4 πεR
Da cui il potenziale V dovuto a una distribuzione di carica in un
volume V’, tenendo conto del tempo di propagazione dell’effetto
sarà:
1 ρ (t − R / u )
V ( R, t ) =
dv '
4πε V '
R
∫
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
9
Questa equazione é chiamata equazione del potenziale scalare
ritardato:
V ( R,t ) =
1
4πε
∫
V'
ρ(t − R/u )
dv'
R
[V ]
essa infatti denota che il potenziale scalare V alla distanza R dalla
sorgente e al tempo t, dipende dal valore della densità di carica
all’istante precedente (t-R/u), ossia é richiesto un tempo R/u
perché l’effetto della densità di carica ρ sia sentito alla distanza
R.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
10
Mentre
la funzione di (t+R/u) non può essere una soluzione fisica,
ma solo una soluzione matematica
perché é impossibile che
l’effetto della densità di carica sia sentito in un punto distante
dalla sorgente prima che sia presente in un punto in prossimità
della sorgente (non causalità).
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
11
Analogamente si deduce la soluzione della equazione
dell’onda non omogenea per il potenziale magnetico A
vettoriale detta equazione del potenziale vettore ritardato:
µ J(t − R/u )
A(R,t ) =
dv'
4 π V'
R
∫
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
⎡ Wb ⎤
⎢⎣ m ⎥⎦
12
Riassumendo le equazioni del potenziale scalare ritardato e del
potenziale vettore ritardato sono rispettivamente uguali a :
1
V(R, t ) =
4πε
∫
V'
ρ(t − R/u )
dv'
R
µ J(t − R/u )
A(R,t ) =
dv'
4 π V'
R
∫
[V]
⎡ Wb ⎤
⎢⎣ m ⎥⎦
Le grandezze del campo elettromagnetico si ottengono dalle
espressioni di A e di V differenziando in funzione della variabile
(t-R/u), ritardata nel tempo.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
13
In base alle considerazioni fatte si deduce che é richiesto un
certo tempo per la trasmissione delle onde elettromagnetiche,
perché si sentano gli effetti delle cariche e delle correnti
variabili nel tempo in punti distanti da queste.
Nel modello approssimato quasi statico:
•si trascura l’effetto del ritardo temporale e
•si assume una risposta istantanea.
Tale modello è assunto implicitamente nella trattazione
dei problemi circuitali.
M. Usai
Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6a
14
Scarica