맥스웰 변형력 텐서
📂전자기학 맥스웰 변형력 텐서 정의 아래의 텐서 T \mathbf{T} T 를 맥스웰 변형력 텐서 Maxwell tress tensor 라 한다.
T = T ↔ = ( T x x T x y T x z T y x T y y T y z T z x T z y T z z )
\mathbf{T}=\overleftrightarrow{\mathbf{T}}=\begin{pmatrix}
T_{xx} & T_{xy} & T_{xz}
\\ T_{yx} & T_{yy} & T_{yz}
\\ T_{zx} & T_{zy} & T_{zz}
\end{pmatrix}
T = T = T xx T y x T z x T x y T yy T zy T x z T yz T zz
T i j = ϵ 0 ( E i E j − 1 2 δ i j E 2 ) + 1 μ 0 ( B i B j − 1 2 δ i j B 2 )
T_{ij}=\epsilon_{0} \left( E_{i}E_{j}-\dfrac{1}{2}\delta_{ij}E^2 \right) + \dfrac{1}{\mu_{0}}\left(B_{i}B_{j}-\dfrac{1}{2}\delta_{ij}B^2 \right)
T ij = ϵ 0 ( E i E j − 2 1 δ ij E 2 ) + μ 0 1 ( B i B j − 2 1 δ ij B 2 )
이때 δ i j \delta_{ij} δ ij 는 크로네커 델타 이다.
설명 2 2 2 차 텐서 의 한 종류로 위와 같이 정의된다. 어느 부피 V \mathcal{V} V 속의 전하가 받는 힘 을 유도하는 과정에서 등장한다. 2 2 2 차 텐서이므로 9개의 성분을 가진다. 성분의 아래첨자가 1개인 벡터의 경우 A ⃗ \vec{A} A 와 같이 나타내기도 하는데, 이와 비슷하게 성분의 아래첨자가 2개인 2 2 2 차 텐서를 A ↔ \overleftrightarrow{\mathbf{A}} A 와 같이 나타내기도 한다. 필자는 이 표현을 깔끔하지 않다고 생각하기 때문에 본 글에서는 벡터를 표현하는 방법과 마찬가지로 단순하게 볼드체로 표시하겠다.
식에 크로네커 델타가 포함돼있어서 i = j i=j i = j 인 경우와 i ≠ j i \ne j i = j 인 경우의 모양이 꽤 다르게 나타난다.
i = j i=j i = j 인 경우에
T x x = ϵ 0 ( E x 2 − 1 2 E 2 ) + 1 μ 0 ( B x 2 − 1 2 B 2 )
T_{xx}=\epsilon_{0} \left( {E_{x}}^2-\dfrac{1}{2}E^2\right) +\dfrac{1}{\mu_{0}}\left( {B_{x}}^2-\dfrac{1}{2}B^2 \right)
T xx = ϵ 0 ( E x 2 − 2 1 E 2 ) + μ 0 1 ( B x 2 − 2 1 B 2 )
E 2 = E x 2 + E y 2 + E z 2 E^2={E_{x}}^2+{E_{y}}^2+{E_{z}}^2 E 2 = E x 2 + E y 2 + E z 2 이므로
T x x = ϵ 0 2 ( E x 2 − E y 2 − E z 2 ) + 1 2 μ 0 ( B x 2 − B y 2 − B z 2 )
T_{xx}=\dfrac{\epsilon_{0}}{2} \left( {E_{x}}^2-{E_{y}}^2-{E_{z}}^2\right) +\dfrac{1}{2\mu_{0}}\left( {B_{x}}^2-{B_{y}}^2 -{B_{z}}^2\right)
T xx = 2 ϵ 0 ( E x 2 − E y 2 − E z 2 ) + 2 μ 0 1 ( B x 2 − B y 2 − B z 2 )
i ≠ j i \ne j i = j 인 경우에는
T x y = ϵ 0 ( E x E y ) + 1 μ 0 ( B x B y )
T_{xy}=\epsilon_{0}(E_{x}E_{y})+\dfrac{1}{\mu_{0}}(B_{x}B_{y})
T x y = ϵ 0 ( E x E y ) + μ 0 1 ( B x B y )
내적 맥스웰 변형력 텐서 T \mathbf{T} T 와 임의의 벡터 a \mathbf{a} a 와의 내적은 그 성분이 아래첨자를 1개만 가지므로 벡터(1 1 1 차 텐서)이고 다음과 같다.
a ⋅ T = ( a x a y a z ) ( T x x T x y T x z T y x T y y T y z T z x T z y T z z ) = ( a x T x x + a y T y x + a z T z x , a x T x y + a y T y y + a z T z y , a x T x z + a y T y z + a z T z z )
\begin{align*}
\mathbf{a} \cdot \mathbf{T} &=\begin{pmatrix}
a_{x} & a_{y} & a_{z}
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
T_{xx} & T_{xy} & T_{xz}
\\ T_{yx} & T_{yy} & T_{yz}
\\ T_{zx} & T_{zy} & T_{zz}
\end{pmatrix}
\\ &= (a_{x}T_{xx}+a_{y}T_{yx}+a_{z}T_{zx},\ a_{x}T_{xy} + a_{y}T_{yy} + a_{z}T_{zy},\ a_{x}T_{xz} + a_{y}T_{yz} + a_{z}T_{zz})
\end{align*}
a ⋅ T = ( a x a y a z ) T xx T y x T z x T x y T yy T zy T x z T yz T zz = ( a x T xx + a y T y x + a z T z x , a x T x y + a y T yy + a z T zy , a x T x z + a y T yz + a z T zz )
( a ⋅ T ) j = ∑ i = x , y , z a i T i j
\left( \mathbf{a} \cdot \mathbf{T} \right)_{j}=\sum \limits_{i=x,y,z}a_{i}T_{ij}
( a ⋅ T ) j = i = x , y , z ∑ a i T ij
발산 T \mathbf{T} T 의 발산 역시 벡터이다. ∇ ⋅ T \nabla \cdot \mathbf{T} ∇ ⋅ T 의 j j j 성분은
( ∇ ⋅ T ) j = ϵ 0 [ ∇ i ( E i E j ) − 1 2 ∇ i δ i j E 2 ] + 1 μ 0 [ ∇ i ( B i B j ) − 1 2 ∇ i δ i j B 2 ] = ϵ 0 [ ∇ i E i E j + E i ∇ i E j − 1 2 ∇ j E 2 ] + 1 μ 0 [ ∇ i B i B j + B i ∇ i B j − 1 2 ∇ j B 2 ] = ϵ 0 [ ( ∇ ⋅ E ) E j + ( E ⋅ ∇ ) E j − 1 2 ∇ j E 2 ] + 1 μ 0 [ ( ∇ ⋅ B ) B j + ( B ⋅ ∇ ) B j − 1 2 ∇ j B 2 ]
\begin{align*}
& \left( \nabla \cdot \mathbf{T} \right)_{j} \\
=&\ \epsilon_{0} \left[ \nabla_{i}(E_{i}E_{j}) -\dfrac{1}{2}\nabla_{i}\delta_{ij}E^2 \right] + \dfrac{1}{\mu_{0}}\left[ \nabla_{i}(B_{i}B_{j})-\dfrac{1}{2}\nabla_{i}\delta_{ij}B^2 \right] \\
=&\ \epsilon_{0} \left[ \nabla_{i}E_{i}E_{j} +E_{i}\nabla_{i}E_{j} -\dfrac{1}{2}\nabla_{j}E^2 \right] + \dfrac{1}{\mu_{0}}\left[ \nabla_{i}B_{i}B_{j}+B_{i}\nabla_{i}B_{j}-\dfrac{1}{2}\nabla_{j}B^2 \right] \\
=&\ \epsilon_{0} \left[ (\nabla \cdot \mathbf{E})E_{j} +(\mathbf{E} \cdot \nabla) E_{j} -\dfrac{1}{2}\nabla_{j}E^2 \right] + \dfrac{1}{\mu_{0}}\left[ (\nabla \cdot \mathbf{B}) B_{j}+(\mathbf{B} \cdot \nabla) B_{j}-\dfrac{1}{2}\nabla_{j}B^2 \right]
\end{align*}
= = = ( ∇ ⋅ T ) j ϵ 0 [ ∇ i ( E i E j ) − 2 1 ∇ i δ ij E 2 ] + μ 0 1 [ ∇ i ( B i B j ) − 2 1 ∇ i δ ij B 2 ] ϵ 0 [ ∇ i E i E j + E i ∇ i E j − 2 1 ∇ j E 2 ] + μ 0 1 [ ∇ i B i B j + B i ∇ i B j − 2 1 ∇ j B 2 ] ϵ 0 [ ( ∇ ⋅ E ) E j + ( E ⋅ ∇ ) E j − 2 1 ∇ j E 2 ] + μ 0 1 [ ( ∇ ⋅ B ) B j + ( B ⋅ ∇ ) B j − 2 1 ∇ j B 2 ]