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Ecuación de Poisson en 2D y 3D: la razón geométrica de la diferencia

La ecuación de Poisson en 3D muestra una solución fundamental en 3D que decae con $\sim 1/r$, mientras que en 2D se muestra un tanto diferentes de desintegración $\sim -\ln r$. Mientras que en 3D no sólo la solución, pero también su integral se desintegra, en 2D la integral no.

Me han preguntado ¿cuál es el geométrico (o mejor, de la física, por ejemplo, en el caso de una densidad de cargas eléctricas) que la razón que subyace a esta profunda diferencia.

Se relaciona con el hecho de que la línea de flujo de los campos a los que tiene (por razones puramente geométrica) menos libertad para ser, por ejemplo, el sesgo y no sólo en intersección o en paralelo a otro?

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expedient Puntos 554

La mejor interpretación que puedo ver de este hecho está relacionado con el de Gauss teorema. Poisson ecuación es de la forma $$\nabla^2\phi = \rho,$$ pero si $\mathbf F = \nabla\phi$, esto también es una ecuación para el vector de campo $\mathbf F$, $$\nabla\cdot\mathbf F = \rho.$$ Consideremos una distribución de densidad dada por una masa total $Q$ centrada en un solo punto, decir $\rho(x) = Q\delta(x)$ donde $\delta$ es la delta de Dirac. Por Gauss teorema, el total de flujo alrededor de una superficie cerrada $\Sigma$ centrada en el origen del eje es igual al total de "carga" en el cerrado de volumen. En tres dimensiones, la superficie como las escalas de $r^2$ donde $r$ es la distancia desde el origen, y esto compensa la $1/r^2$ desde el campo de $\mathbf F$ (desde $\phi\sim1/r$ implica $\mathbf F\sim1/r^2$. Si desea aplicar el mismo argumento a un 2-dimensional de "mundo", a continuación,$\phi\sim\log r$, por lo tanto $\mathbf F\sim1/r$, pero ahora en la "superficie" $\Sigma$, el cual es una curva cerrada, como las escalas de $r$, por lo que incluso en este caso, el flujo de $\mathbf F$ es constante a lo largo de cada camino cerrado que encierra el origen. Este argumento, por supuesto, se generaliza a un número arbitrario de dimensiones, y esto es visto por la mayoría de la forma general del teorema de Gauss, es decir, Stokes teorema de $$\int_{\partial\Omega}\alpha = \int_\Omega\text d\alpha.$$

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Stefano Puntos 763

Phoenix87 ya ha dado una respuesta correcta. Déjenos aquí sólo trato de resaltar el punto principal: Es la ley de Gauss

$$ \Phi_E~=~ \frac{Q}{\varepsilon_0}. $$

En $d$ dimensiones espaciales, el campo eléctrico causado por un punto de carga en $Q$ es por lo tanto

$$ |\vec{E}(r)|~=~ \frac{Q}{\varepsilon_0 ~{\rm Vol}(S^{d-1})} ~\propto~ r^{1-d}, $$

debido a que la superficie-volumen de una $d-1$ esfera$^1$ radio $r$ escalas como $r^{d-1}$. A continuación, el potencial eléctrico se convierte en

$$ \phi(r) ~\propto~ \left\{\begin{array}{rcl} r^{2-d} &\text{for}& d~\neq~ 2, \cr \ln r &\text{for}& d~=~2. \end{array} \right. $$

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$^1$ No debe confundirse con una pelota.

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