logo

맥스웰 변형력 텐서 📂전자기학

맥스웰 변형력 텐서

정의1

아래의 텐서 T\mathbf{T}맥스웰 변형력 텐서Maxwell tress tensor라 한다.

T=T=(TxxTxyTxzTyxTyyTyzTzxTzyTzz) \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}

Tij=ϵ0(EiEj12δijE2)+1μ0(BiBj12δijB2) 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)

이때 δij\delta_{ij}크로네커 델타이다.

설명

22텐서의 한 종류로 위와 같이 정의된다. 어느 부피 V\mathcal{V}속의 전하가 받는 힘을 유도하는 과정에서 등장한다. 22차 텐서이므로 9개의 성분을 가진다. 성분의 아래첨자가 1개인 벡터의 경우 A\vec{A}와 같이 나타내기도 하는데, 이와 비슷하게 성분의 아래첨자가 2개인 22차 텐서를 A\overleftrightarrow{\mathbf{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=ji=j인 경우와 iji \ne j인 경우의 모양이 꽤 다르게 나타난다.

i=ji=j인 경우에

Txx=ϵ0(Ex212E2)+1μ0(Bx212B2) 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)

E2=Ex2+Ey2+Ez2E^2={E_{x}}^2+{E_{y}}^2+{E_{z}}^2이므로

Txx=ϵ02(Ex2Ey2Ez2)+12μ0(Bx2By2Bz2) 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)

iji \ne j인 경우에는

Txy=ϵ0(ExEy)+1μ0(BxBy) T_{xy}=\epsilon_{0}(E_{x}E_{y})+\dfrac{1}{\mu_{0}}(B_{x}B_{y})

내적

맥스웰 변형력 텐서 T\mathbf{T}와 임의의 벡터 a\mathbf{a}와의 내적은 그 성분이 아래첨자를 1개만 가지므로 벡터(11차 텐서)이고 다음과 같다.

aT=(axayaz)(TxxTxyTxzTyxTyyTyzTzxTzyTzz)=(axTxx+ayTyx+azTzx, axTxy+ayTyy+azTzy, axTxz+ayTyz+azTzz) \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*}

(aT)j=i=x,y,zaiTij \left( \mathbf{a} \cdot \mathbf{T} \right)_{j}=\sum \limits_{i=x,y,z}a_{i}T_{ij}

발산

T\mathbf{T}의 발산 역시 벡터이다. T\nabla \cdot \mathbf{T}jj성분은

(T)j= ϵ0[i(EiEj)12iδijE2]+1μ0[i(BiBj)12iδijB2]= ϵ0[iEiEj+EiiEj12jE2]+1μ0[iBiBj+BiiBj12jB2]= ϵ0[(E)Ej+(E)Ej12jE2]+1μ0[(B)Bj+(B)Bj12jB2] \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*}


  1. David J. Griffiths, 기초전자기학(Introduction to Electrodynamics, 김진승 역) (4th Edition1 2014), p388-390 ↩︎