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Tensor de tensión de Maxwell

Lo que realmente es el Tensor de tensión de Maxwell ? Tengo entendido que se deriva de $$\mathbf {F} = \int _V ( \mathbf E + \mathbf v \times \mathbf B )\rho \ d \tau$$

Griffiths lo describe como "la fuerza EM total sobre las cargas en el volumen $\mathcal V$ ".

$$T_{i j} = \epsilon_0 \left(E_i E_j - \frac{1}{2} \delta_{ij} E^2\right) + \frac{1}{\mu_0} \left(B_i B_j - \frac{1}{2} \delta_{ij} B^2\right)$$

Esto nos lleva al tensor de tensión, pero hay algo que no entiendo. La descripción dada es

Físicamente, $T$ es la fuerza por unidad de área que actúa sobre la superficie.

¿De qué superficie estamos hablando? ¿De una superficie arbitraria? En el caso del ejemplo 8.2 (fuerza neta sobre el hemisferio superior de una esfera con carga uniforme), la superficie en cuestión es claramente el límite del hemisferio superior y su "disco" que separa los dos hemisferios. En otros casos, como el problema 8.4, en el que tenemos dos cargas puntuales separadas por una distancia, debemos integrar sobre una superficie concreta. Para tal problema, debemos "integrar el tensor de tensiones sobre el plano que equidista de las dos cargas", pero por qué ? ¿Cómo la suma de la fuerza sobre el plano que separa las dos cargas puntuales sería igual a la fuerza sobre cada carga?

¿Cómo puede haber "fuerza por unidad de superficie" en un plano vacío?

6voto

El tensor de tensiones de Maxwell se introduce como análogo al tensor de tensiones de la mecánica del continuo, y su forma se deriva de la ecuación $$ \frac{d}{dt} \int_V \boldsymbol{\mathscr{p}} + \boldsymbol{\mathscr{g}} \,dV = \oint_{S} d\mathbf S \cdot \mathbf T $$ donde $\boldsymbol{\mathscr{p}}$ es la densidad del momento de la materia y $\boldsymbol{\mathscr{g}}$ es la densidad de momento del campo EM. El lado derecho es una integral de superficie sobre $S$ el límite de la región $V$ y se parece a la fuerza superficial total en la mecánica del continuo. La región y por tanto también su superficie es arbitraria, la ecuación es válida para cualquier elección. Si el límite está en el espacio libre, obviamente no hay "fuerza superficial" en el sentido original, pero la ecuación tiene la misma forma que si la hubiera, como en la mecánica continua.

Como alternativa, se puede interpretar $d\mathbf S\cdot\mathbf T$ en el lado derecho no como una fuerza superficial por unidad de superficie, sino como un momento EM que entra en la región $V$ a través de $dS$ por unidad de tiempo. Esto es quizás mejor, ya que no tenemos que hablar de "fuerza de tensión" que actúa en el espacio libre (¿sobre qué? es una buena pregunta). Pero ambos puntos de vista se utilizan habitualmente.

EDITAR: En caso de que todo sea estático, fuerza en la distribución de la carga regular $\rho(\mathbf x)$ (primera partícula cargada) que está contenida en la región $V$ es $$ \mathbf F = \int_V \rho(\mathbf x)\mathbf E(\mathbf x) d^3\mathbf x $$ Esto se puede transformar utilizando las ecuaciones de Maxwell y el cálculo vectorial en $$ \mathbf F = \oint_S d\mathbf S \cdot \mathbf T $$ donde $S$ es la superficie límite de $V$ . Esto sólo significa que la fuerza electrostática sobre un cuerpo cargado puede calcularse como una suma de fuerzas elementales que actúan "localmente" o "a granel" como "fuerzas de volumen", o bien se puede calcular la misma fuerza a partir del campo en la superficie a distancia que encierra el cuerpo como una suma de fuerzas superficiales ficticias. Este último caso recuerda a la fuerza de tensión del continuo, pero la conexión es sólo matemática - físicamente, no hay fuerza en la superficie ya que no hay materia allí.

Nota: Todo esto se suele derivar sólo para distribuciones regulares, donde $\rho$ está acotado. La derivación no funciona para cargas puntuales, porque para ellas la integral de la izquierda no tiene sentido - son un caso especial que lleva a una teoría diferente. Sin embargo, por cierto, la integral de la derecha sigue siendo válida para las partículas puntuales. Esto se debe a que existe un teorema similar que se puede derivar para las partículas puntuales, con un tensor de tensión EM ligeramente diferente, que de forma un tanto sorprendente da la misma integral de superficie. Esto se ve fácilmente por el hecho de que la fuerza entre dos cuerpos cargados no depende de si los cuerpos son puntos o, digamos, esferas uniformemente cargadas.

Volviendo a las preguntas del OP, toda esta equivalencia entre las dos formas de expresar la fuerza se rompe una vez que los campos dejan de ser estáticos; entonces la presencia del momento EM en $V$ no se puede descuidar. Entonces la fuerza que actúa sobre un cuerpo cargado no viene dada únicamente por la integral del tipo derecho, pero se cree que la ecuación original de la fuerza -la primera ecuación de la OP (integral de una expresión local) sigue siendo correcta para los cuerpos extendidos.

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Aunque entiendo lo que dices, me deja algo insatisfecho. Sigue sin explicar por qué la fuerza entre dos cargas puntuales puede calcularse integrando el tensor de tensiones a través del plano entre ellas.

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@Astrum, he editado la respuesta para explicar por qué se puede utilizar el tensor de tensiones para encontrar la fuerza.

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No estoy seguro de por qué el lado izquierdo no tiene sentido para, digamos, una distribución dirac delta. Tienes la distribución actuando sobre la función identidad para dar una, así que la integral tiene sentido (como todas las integrales de distribuciones tienen sentido como la distribución actuando sobre la función identidad). Si por teoría diferente sólo te refieres a las distribuciones, entonces te entiendo. Pero hablaste de las partículas no puntuales como distribuciones acotadas, así que no estoy seguro de si sólo te referías a la 3ª forma por distribución. ¿Podrías proporcionar el nombre de la teoría diferente o una cita?

2voto

SBWorks Puntos 245

Un tensor de tensión tiene nueve componentes en cada punto del espacio. Si las agrupas en tres conjuntos de tres, puedes imaginarlo como tres campos vectoriales. Hazlo. Cada uno de esos campos vectoriales tiene una divergencia, y eso serían tres campos escalares. Podrías combinar esos tres campos escalares para obtener un campo vectorial. ¿Y si ese campo vectorial fuera la densidad de fuerza (fuerza por unidad de volumen)?

La fuerza por unidad de volumen te dice la velocidad a la que cambia el impulso (por volumen) en un ese volumen. Así que esto no nos dice cuál es la tensión, sólo cuál es su divergencia. Pero se puede aplicar el teorema de la divergencia a cualquier región delimitada para decir que el flujo del tensor de tensión fuera de la región es la fuerza total que actúa sobre el volumen dentro de la región. El flujo a través de la superficie es igual a la divergencia integrada sobre la región, por lo que ambos son insensibles a las mismas cosas.

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facenian Puntos 84

En relación con todo esto hay otra cuestión: en un campo electrostático $\mathbf{g}=0$ mientras que $\mathbf{T}\ne 0$ por lo que tenemos flujo de momento mientras la densidad de momento es cero. En mi opinión $T$ debe interpretarse como una combinación de flujo de momento más tensión al igual que en la mecánica del continuo el anolog de $T$ es (utilizando la notación indicial) $$ \sigma_{ik}-\rho V_iV_k$$ El segundo término de la suma da el flujo del momento debido al movimiento de la materia, mientras que el primer término da las fuerzas que actúan sobre una porción dada de materia

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¿Cómo dividirías las entradas de la matriz $\mathbf T$ en esos dos componentes?

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No sé pero si queremos aceptar cosas como la que dije(flujo de impulso $\ne0$ mientras que la densidad del momento=0) debo aceptar que $\mathbf{T}$ implica tanto la tensión como el flujo de momento

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Quizá no es que se puedan dividir las entradas de la matriz $\mathbf{T}$ sino cómo se interpretan en función de la situación física

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