📂수리물리

분리벡터의 회전

공식

$$ \nabla \times \dfrac{\crH }{\cR ^2} = \mathbf{0} $$

설명

이 식이 특별한 의미를 가지는 것은 아니다. 자기장의 발산을 구하는 과정에서 나오는데 계산이 간단하지 않아 따로 설명한다.

증명

$\bcR=(x-x^{\prime})\hat{\mathbf{x}} + (y-y^{\prime})\hat{\mathbf{y}} + (z-z^{\prime})\hat{\mathbf{z}}$를 분리벡터라고 하면 다음과 같다.

$$ | \bcR |=\cR=\sqrt{(x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2 + (z-z^{\prime})^2} $$

$$ \crH = \dfrac{ \bcR } { \cR}=\dfrac{(x-x^{\prime})\hat{\mathbf{x}} + (y-y^{\prime})\hat{\mathbf{y}} + (z-z^{\prime})\hat{\mathbf{z}}}{\sqrt{(x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2 + (z-z^{\prime})^2}} $$

$$ \dfrac{\crH}{\cR^2}=\dfrac{1}{(x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2 + (z-z^{\prime})^2}\dfrac{(x-x^{\prime})\hat{\mathbf{x}} + (y-y^{\prime})\hat{\mathbf{y}} + (z-z^{\prime})\hat{\mathbf{z}}}{\sqrt{(x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2 + (z-z^{\prime})^2}} $$

계산의 편의를 위해

$$ \dfrac{\crH }{\cR ^2} = A_{x} \hat{\mathbf{x}} + A_{y} \hat{\mathbf{y}} + A_{z}\hat{\mathbf{z}} $$

라고 하자. 그러면

$$ \begin{align*} \nabla \times \dfrac{ \crH}{\cR^2} &= \begin{vmatrix} \hat{\mathbf{x}} & \hat{\mathbf{y}} & \hat{\mathbf{z}} \\ \dfrac{\partial }{\partial x} & \dfrac{\partial }{\partial y} & \dfrac{\partial }{\partial z} \\ A_{x} & A_{y} & A_{z} \end{vmatrix} \\ &= \left( \dfrac{ \partial}{\partial y} A_{z} -\dfrac{\partial }{\partial z}A_{y} \right) \hat{\mathbf{x}} + \left( \dfrac{ \partial}{\partial z} A_{x} -\dfrac{\partial }{\partial x}A_{z} \right) \hat{\mathbf{y}} +\left( \dfrac{ \partial}{\partial x} A_{y} -\dfrac{\partial }{\partial y}A_{x} \right) \hat{\mathbf{z}} \end{align*} $$

$\hat{\mathbf{x}}$항만 먼저 계산해보자.

$$ \begin{align*} & \dfrac{\partial }{\partial y} A_{z} - \dfrac{\partial}{\partial z}A_{y} \\ =&\ \dfrac{\partial }{\partial y} \left[ \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{3}{2}}(z-z^{\prime}) \right] \\ &- \dfrac{\partial }{\partial z} \left[ \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{3}{2}}(y-y^{\prime}) \right] \\ =&\ -\dfrac{3}{2}\left[ \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{5}{2}}(z-z^{\prime}) \right]\cdot 2(y-y^{\prime}) \\ & +\dfrac{3}{2}\left[ \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{5}{2}}(y-y^{\prime}) \right]\cdot 2(z-z^{\prime}) \\ =&\ -3 \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{5}{2}}(z-z^{\prime})(y-y^{\prime}) \\ & +3 \left[ (x-x^{\prime})^2+(y-y^{\prime})^2+(z-z^{\prime})^2 \right]^{-\frac{5}{2}}(y-y^{\prime})(z-z^{\prime}) \\ =&\ 0 \end{align*} $$

같은 방식으로 계산하면 $\hat{\mathbf{y}}$항과 $\hat{\mathbf{z}}$항 역시 $0$이 된다.

$$ \therefore \nabla \times \dfrac{ \crH}{\cR^2} = \mathbf{0} $$

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