움직이는 점전하가 만드는 전기장
📂전자기학움직이는 점전하가 만드는 전기장
개요

움직이는 점전하가 만드는 전자기장은 다음과 같다.
E(r,t)B(r,t)=4πϵ0q(
⋅u)3
[(c2−v2)u+
×(u×a)]=c1
×E(r,t)
설명
전기장에 대한 유도과정을 소개한다.
유도
움직이는 점전하가 만드는 전기장, 자기장은 리에나르-비케르트 전위를 사용하여 구할 수 있다.
V(r,t)=4πϵ01(
c−
⋅v)qc,A(r,t)=c2vV(r,t)
또한 전자기장은 아래의 식으로 구할 수 있다.
E=−∇V−∂t∂A,B=∇×A
∇V와 ∂t∂A를 차례로 구해보자. 우선 ∇V를 계산해보면
∇V=4πϵ0qc∇(
c−
⋅v)1
이때 dxd(f(x)1)=[f(x)]2−1f′(x)이므로
∇V=4πϵ0qc(
c−
⋅v)2−1∇(
c−
⋅v)
따라서 ∇
와 ∇(
⋅v)를 계산하면 된다. 우선 ∇(
⋅v)부터 계산해보면 곱셈규칙 2에 의해서
∇(
⋅v)=(
⋅∇)v+(v⋅∇)
+
×(∇×v)+v×(∇×
)
첫 번째 항
(
⋅∇)v=(
x∂x∂+
y∂y∂+
z∂z∂)v=
xdtrdv∂x∂tr+
ydtrdv∂y∂tr+
zdtrdv∂z∂tr=dtrdv(
x∂x∂tr+
y∂y∂tr+
z∂z∂tr)=a(
⋅∇tr)
이때 a는 지연시각일 때 입자(점전하)의 가속도이다.
두 번째 항
=r−w이므로
(v⋅∇)
=(v⋅∇)r−(v⋅∇)w
임의의 벡터 A=(Ax,Ay,Az)에 대해서
(A⋅∇)r=(Ax∂x∂+Ay∂y∂+Az∂z∂)(xx^+yy^+zz^)=Axx^+Ayy^+Azz^=A
이고
(A⋅∇)w(tr)=(Ax∂x∂+Ay∂y∂+Az∂z∂)w=Ax∂x∂w+Ay∂y∂w+Az∂z∂w=Ax∂tr∂w∂x∂tr+Ay∂tr∂w∂y∂tr+Az∂tr∂w∂z∂tr=Axv∂x∂tr+Ayv∂y∂tr+Azv∂z∂tr=v(Ax∂x∂tr+Ay∂y∂tr+Az∂z∂tr)=v(A⋅∇tr)
이므로 (3)은
(v⋅∇)
=v−v(v⋅∇tr)
세 번째 항
우선 다음이 성립한다.
∇×v=(∂y∂vz−∂z∂vy)x^+(∂z∂vx−∂x∂vz)y^+(∂x∂vy−∂y∂vx)z^=(∂tr∂vz∂ytr−∂tr∂vy∂ztr)x^+(∂tr∂vx∂ztr−∂tr∂vz∂xtr)y^+(∂tr∂vy∂xtr−∂tr∂vx∂ytr)z^=(az(∇tr)y−ay(∇tr)z)x^+(ax(∇tr)z−az(∇tr)x)y^+(ay(∇tr)x−ax(∇tr)y)z^=−a×∇tr
따라서
×(∇×v)=−
×(a×∇tr)
네 번째 항
=r−w이고, ∇×r=0이므로
∇×
=∇×r−∇×w=−∇×w
이때 바로 위에서 계산했던 ∇×v=−a×∇tr의 결과를 이용하면 ∇×w=−v×∇tr임을 알 수 있다. 따라서
v×(∇×
)=v×(−∇×w)=v×(v×∇tr)
이제 위의 계산 결과들을 (2)에 대입하면
∇(
⋅v)=a(
⋅∇tr)+v−v(v⋅∇tr)−
×(a×∇tr)+v×(v×∇tr)=a(
⋅∇tr)+v−v(v⋅∇tr)−[a(
⋅∇tr)−∇tr(
⋅a)]+[v(v⋅∇tr)−∇tr(v⋅v)]=v+∇tr(
⋅a)−∇tr(v⋅v)=v+(
⋅a−v2)∇tr
두번째 등호는 BAC-CAB 공식에 의해 성립한다.
결론
=c(t−tr)이므로 ∇
=−c∇tr이다. 이와 (4)를 (1)에 대입하면
∇V=4πϵ0qc(
c−
⋅v)2−1∇(
c−
⋅v)=4πϵ0qc(
c−
⋅v)2−1[c∇
−∇(
⋅v)]=4πϵ0qc(
c−
⋅v)2−1[−c2∇tr−v−(
⋅a−v2)∇tr]=4πϵ0qc(
c−
⋅v)21[v+(c2−v2+
⋅a)∇tr]
그리고 지연 시각의 기울기가 아래와 같다.
∇tr=
c−
⋅v−
이를 (5)에 대입하면
∇V=4πϵ0qc(
c−
⋅v)21[v+(c2−v2+
⋅a)∇tr]=4πϵ0qc(
c−
⋅v)21[v+(c2−v2+
⋅a)
c−
⋅v−
]=4πϵ0qc(
c−
⋅v)31[(
c−
⋅v)v−(c2−v2+
⋅a)
]
이제 ∂t∂A를 구하면 끝이다. 계산 해보면 결과는 아래와 같다.
∂t∂A=4πϵ0qc(
c−
⋅v)31[(
c+
⋅v)(
a/c−v)+c
v(c2−v2+
⋅a)]
u≡c
−v라고 두고 정리하면
E(r,t)=−∇V−∂t∂A=4πϵ0q(
⋅u)3
[(c2−v2)u+u(
⋅a)−a(
⋅u)]=4πϵ0q(
⋅u)3
[(c2−v2)u+
×(u×a)]
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