전위의 다중극 전개와 쌍극자 모멘트
📂전자기학 전위의 다중극 전개와 쌍극자 모멘트 다중극 전개 모여있는 전하분포를 충분히 멀리서 바라보면 마치 점전하 처럼 보일 것이다. 다시말해 전하분포의 총 전하량이 Q Q Q 라면 이를 아주 멀리서 바라봤을 때 마치 전하량이 Q Q Q 인 점전하 하나가 있는 것과 비슷하게 느껴질것이다. 그러면 전위 를 1 4 π ϵ 0 Q r \dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \dfrac{Q}{r} 4 π ϵ 0 1 r Q 라고 해도 얼추 비슷할거라는 말이 된다.
그런데 만약 총 전하량이 0 0 0 이라면 전위를 0 0 0 으로 근사시키는게 맞냐는 질문이 생긴다. 다중극 전개 는 총 전하량이 0 0 0 일 경우에 전위를 어떻게 근사식으로 표현하는지에 대한 해답이다. 전위 V ( r ) V(\mathbf{r}) V ( r ) 을 1 r n \dfrac{1}{r^{n}} r n 1 에 대한 급수로 표현하는 것을 다중극 전개 multipole expansion 라고 한다.
위치 r \mathbf{r} r 에서의 전위는 다음과 같다.
V ( r ) = 1 4 π ϵ 0 ∫ 1 ρ ( r ′ ) d τ ′
\begin{equation}
V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \int \dfrac{1}{\cR}\rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime}
\label{1}
\end{equation}
V ( r ) = 4 π ϵ 0 1 ∫ 1 ρ ( r ′ ) d τ ′
이때 = r − r ′ ( = ∣ ∣ ) \bcR = \mathbf{r} - \mathbf{r}^{\prime} (\cR = \left| \bcR \right|) = r − r ′ ( = ∣ ∣ ) 은 분리벡터 이다.
\cR 의 크기를 구하기 위해 제2코사인법칙을 쓰면
2 = r 2 + ( r ′ ) 2 − 2 r r ′ cos α = r 2 [ 1 + ( r ′ r ) 2 − 2 r ′ r cos α ] = r 2 [ 1 + r ′ r ( r ′ r − 2 cos α ) ]
\begin{align*}
\cR ^2 =&\ r^2+(r^{\prime})^2-2rr^{\prime}\cos\alpha
\\ =&\ r^2\left[1+\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^2-2\dfrac{r^{\prime}}{r}\cos\alpha\right]
\\ =&\ r^2\left[1+\dfrac{r^{\prime}}{r}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha\right)\right]
\end{align*}
2 = = = r 2 + ( r ′ ) 2 − 2 r r ′ cos α r 2 [ 1 + ( r r ′ ) 2 − 2 r r ′ cos α ] r 2 [ 1 + r r ′ ( r r ′ − 2 cos α ) ]
편의를 위해 각괄호 안의 두번째 항을 통째로 ϵ = r ′ r ( r ′ r − 2 cos α ) \epsilon=\dfrac{r^{\prime}}{r}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) ϵ = r r ′ ( r r ′ − 2 cos α ) 라고 치환하자. 그러면 다음이 성립한다.
= r 1 + ϵ ⟹ 1 = 1 r ( 1 + ϵ ) − 1 / 2
\cR=r\sqrt{1+\epsilon} \implies \dfrac{1}{\cR} = \dfrac{1}{r}(1+\epsilon)^{-1/2}
= r 1 + ϵ ⟹ 1 = r 1 ( 1 + ϵ ) − 1/2
이때 r \mathbf{r} r 이 전하분포로부터 아주 멀리 떨어진 곳이라면 r ′ r \dfrac{r^{\prime}}{r} r r ′ 은 굉장히 작은 값이되고 ϵ ≪ 1 \epsilon \ll 1 ϵ ≪ 1 이 성립한다.
이항급수
∣ x ∣ < 1 |x| < 1 ∣ x ∣ < 1 이면,
( 1 + x ) α = 1 + α x + α ( α − 1 ) 2 ! x 2 + α ( α − 1 ) ( α − 2 ) 3 ! x 3 + ⋯
(1 + x )^{\alpha} = 1 + \alpha x + \dfrac{\alpha (\alpha-1)}{2!}x^{2} + \dfrac{\alpha (\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^{3} + \cdots
( 1 + x ) α = 1 + αx + 2 ! α ( α − 1 ) x 2 + 3 ! α ( α − 1 ) ( α − 2 ) x 3 + ⋯
따라서 ( 1 + ϵ ) − 1 / 2 (1+\epsilon)^{-1/2} ( 1 + ϵ ) − 1/2 을 이항급수로 풀어낼 수 있다.
1 = 1 r ( 1 + ϵ ) − 1 / 2 = 1 r ( 1 − 1 2 ϵ + 3 8 ϵ 2 − 5 16 ϵ 3 + ⋯ )
\dfrac{1}{\cR} = \dfrac{1}{r}(1+\epsilon)^{-1/2} = \dfrac{1}{r}\left( 1- \dfrac{1}{2}\epsilon+\dfrac{3}{8}\epsilon ^2 -\dfrac{5}{16}\epsilon ^3 +\cdots \right)
1 = r 1 ( 1 + ϵ ) − 1/2 = r 1 ( 1 − 2 1 ϵ + 8 3 ϵ 2 − 16 5 ϵ 3 + ⋯ )
ϵ \epsilon ϵ 를 다시 원래대로 적으면
1 = 1 r [ 1 − 1 2 r ′ r ( r ′ r − 2 cos α ) + 3 8 ( r ′ r ) 2 ( r ′ r − 2 cos α ) 2 − 5 16 ( r ′ r ) 3 ( r ′ r − 2 cos α ) 3 + ⋯ ]
\dfrac{1}{\cR}=\dfrac{1}{r}\left[ 1- \dfrac{1}{2}\dfrac{r^{\prime}}{r}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) +\dfrac{3}{8}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^2 \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) ^2 -\dfrac{5}{16}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) ^3 +\cdots \right]
1 = r 1 [ 1 − 2 1 r r ′ ( r r ′ − 2 cos α ) + 8 3 ( r r ′ ) 2 ( r r ′ − 2 cos α ) 2 − 16 5 ( r r ′ ) 3 ( r r ′ − 2 cos α ) 3 + ⋯ ]
이를 r ′ r \dfrac{r^{\prime}}{r} r r ′ 의 각 차수에 맞춰서 정리하면 아래와 같다. 자세한 과정은 부록 을 참고하자.
1 = 1 r [ 1 + ( r ′ r ) ( cos α ) + ( r ′ r ) 2 ( 3 cos 2 α − 1 2 ) + ( r ′ r ) 3 ( 5 cos 2 α − 3 cos α 2 ) + ⋯ ]
\dfrac{1}{\cR}=\dfrac{1}{r}\left[ 1+\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)\left( \cos\alpha \right) +\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^2 \left( \dfrac{3\cos^2\alpha -1 }{2}\right) +\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 \left( \dfrac{5\cos^2\alpha-3\cos\alpha}{2} \right) +\cdots \right]
1 = r 1 [ 1 + ( r r ′ ) ( cos α ) + ( r r ′ ) 2 ( 2 3 cos 2 α − 1 ) + ( r r ′ ) 3 ( 2 5 cos 2 α − 3 cos α ) + ⋯ ]
여기서 각괄호는 급수 ∑ n = 0 ∞ a n ( r ′ r ) n \sum \limits_{n=0}^{\infty} a_{n}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^n n = 0 ∑ ∞ a n ( r r ′ ) n 꼴로 표현할 수 있다. 이때 각각의 계수 a n a_{n} a n 은 다음과 같다.
a 0 = 1 a 1 = cos α a 2 = 3 cos 2 α − 1 2 a 3 = ( 5 cos 2 α − 3 cos α 2 ) ⋮
\begin{align*}
a_{0} =&\ 1
\\ a_{1} =&\ \cos\alpha
\\ a_{2} =&\ \dfrac{3\cos^2\alpha-1}{2}
\\ a_{3} =&\ \left( \dfrac{5\cos^2\alpha-3\cos\alpha}{2} \right)
\\ \vdots &
\end{align*}
a 0 = a 1 = a 2 = a 3 = ⋮ 1 cos α 2 3 cos 2 α − 1 ( 2 5 cos 2 α − 3 cos α )
이는 cos α \cos\alpha cos α 에 대한 르장드르 다항식 P n ( cos α ) P_{n}(\cos \alpha) P n ( cos α ) 와 같다. 따라서 정리하면
1 = 1 r ∑ n = 0 ∞ ( r ′ r ) n P n ( cos α )
\dfrac{1}{\cR}=\dfrac{1}{r}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^n P_{n}(\cos\alpha)
1 = r 1 n = 0 ∑ ∞ ( r r ′ ) n P n ( cos α )
이를 전위 공식 ( 1 ) \eqref{1} ( 1 ) 에 대입하고 적분과 상관없는 r r r 을 밖으로 빼내면 다음을 얻는다.
V ( r ) = 1 4 π ϵ 0 ∑ n = 0 ∞ 1 r n + 1 ∫ ( r ′ ) n P n ( cos α ) ρ ( r ′ ) d τ ′
V(\mathbf{r})=\dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\sum \limits_{n=0}^{\infty} \dfrac{1}{r^{n+1}} \int (r^{\prime})^nP_{n}(\cos\alpha) \rho (\mathbf{r}^{\prime}) d\tau^{\prime}
V ( r ) = 4 π ϵ 0 1 n = 0 ∑ ∞ r n + 1 1 ∫ ( r ′ ) n P n ( cos α ) ρ ( r ′ ) d τ ′
이 급수를 다시 전개하면
V ( r ) = 1 4 π ϵ 0 [ 1 r ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′ + 1 r 2 ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′ + 1 r 3 ∫ ( r ′ ) 2 3 cos 2 α − 1 2 ρ ( r ′ ) d τ ′ + ⋯ ]
\begin{align*}
V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \bigg[ &\dfrac{1}{r} \int r^{\prime}\cos\alpha \rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime}
\\ &+ \dfrac{1}{r^2}\int r^{\prime}\cos\alpha \rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime} + \dfrac{1}{r^3}\int(r^{\prime})^2\dfrac{3\cos^2\alpha -1 }{2}\rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime} + \cdots \bigg]
\end{align*}
V ( r ) = 4 π ϵ 0 1 [ r 1 ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′ + r 2 1 ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′ + r 3 1 ∫ ( r ′ ) 2 2 3 cos 2 α − 1 ρ ( r ′ ) d τ ′ + ⋯ ]
첫번째 항은 홀극에 의해 생기는 전위, 두번째 항은 쌍극자에 의해 생기는 전위, 세번째 항은 사중극자에 의해 생기는 전위이다. n n n 번째 항은 각각 2 n − 1 2^{n-1} 2 n − 1 극자항과 관련되어있다.
쌍극자항과 쌍극자 모멘트 다중극 전개식은 r r r 의 역수에 대한 급수이므로 대게 r r r 이 클 때 홀극 항이 가장 크다. mono는 홀극 monopole, 모노폴 의 약자이다.
V mono ( r ) = 1 4 π ϵ 0 Q r
V_{\text{mono}}(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\dfrac{Q}{r}
V mono ( r ) = 4 π ϵ 0 1 r Q
만약 모여있는 전하들의 총 전하가 0 0 0 이라면 홀극항은 0 0 0 이다. 그 외의 경우 + + + 와 − - − 가 짝을 이루어 0 0 0 이 될 수 있지만 홀극항은 하나라 그럴 수 없기 때문이다. 따라서 이때 쌍극자항이 0 0 0 이 아니라면 쌍극자항이 가장 크다. dip는 쌍극자 dipole, 다이폴 의 약자이다.
V dip ( r ) = 1 4 π ϵ 0 1 r 2 ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′
V_{\text{dip}}(\mathbf{r})=\dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\dfrac{1}{r^2}\int r^{\prime} \cos \alpha \rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime}
V dip ( r ) = 4 π ϵ 0 1 r 2 1 ∫ r ′ cos α ρ ( r ′ ) d τ ′
여기서 r ^ ⋅ r ′ = r ′ cos α \hat{\mathbf{r}}\cdot\mathbf{r}^{\prime}=r^{\prime}\cos\alpha r ^ ⋅ r ′ = r ′ cos α 이므로
V dip ( r ) = 1 4 π ϵ 0 1 r 2 r ^ ⋅ ∫ r ′ ρ ( r ′ ) d τ ′
V_{\text{dip}}(\mathbf{r})=\dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\dfrac{1}{r^2}\hat{\mathbf{r}}\cdot\int \mathbf{r}^{\prime} \rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime}
V dip ( r ) = 4 π ϵ 0 1 r 2 1 r ^ ⋅ ∫ r ′ ρ ( r ′ ) d τ ′
이 적분값은 r \mathbf{r} r 과 무관하며 특별히 이름을 붙여 전하분포의 쌍극자 모멘트 dipole moment 라 하고 p \mathbf{p} p 로 나타낸다.
p = ∫ r ′ ρ ( r ′ ) d τ ′
\mathbf{p}=\int\mathbf{r}^{\prime}\rho (\mathbf{r}^{\prime})d\tau^{\prime}
p = ∫ r ′ ρ ( r ′ ) d τ ′
쌍극자 모멘트를 써서 쌍극자의 전위를 간단하게 나타낼 수 있다.
V dip ( r ) = 1 4 π ϵ 0 p ⋅ r ^ r 2
V_{\text{dip}}(\mathbf{r})=\dfrac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\dfrac{\mathbf{p}\cdot\hat{\mathbf{r}} } {r^2}
V dip ( r ) = 4 π ϵ 0 1 r 2 p ⋅ r ^
부록 1 − 1 2 r ′ r ( r ′ r − 2 cos α ) + 3 8 ( r ′ r ) 2 ( r ′ r − 2 cos α ) 2 − 5 16 ( r ′ r ) 3 ( r ′ r − 2 cos α ) 3 + ⋯
1- \dfrac{1}{2}\dfrac{r^{\prime}}{r}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) +\dfrac{3}{8}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^{2} \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right)^2 -\dfrac{5}{16}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right)^3 +\cdots
1 − 2 1 r r ′ ( r r ′ − 2 cos α ) + 8 3 ( r r ′ ) 2 ( r r ′ − 2 cos α ) 2 − 16 5 ( r r ′ ) 3 ( r r ′ − 2 cos α ) 3 + ⋯
위의 식의 제곱항, 세제곱항을 풀어서 쓰면
1 − 1 2 r ′ r ( r ′ r − 2 cos α ) + 3 8 ( r ′ r ) 2 [ ( r ′ r ) 2 − 4 r ′ cos α r + 4 cos 2 α ]
1- \dfrac{1}{2}\dfrac{r^{\prime}}{r}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}-2\cos\alpha \right) +\dfrac{3}{8}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^2 \left[ \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^2-\dfrac{4r^{\prime}\cos\alpha}{r}+4\cos^2\alpha \right]
1 − 2 1 r r ′ ( r r ′ − 2 cos α ) + 8 3 ( r r ′ ) 2 [ ( r r ′ ) 2 − r 4 r ′ cos α + 4 cos 2 α ]
− 5 16 ( r ′ r ) 3 [ ( r ′ r ) 3 − 3 ( r ′ r ) 2 2 cos α + 3 ( r ′ r ) 4 cos 2 α − 8 cos 3 α ] + ⋯
-\dfrac{5}{16}\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 \left[ \left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 -3\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^22\cos\alpha + 3\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)4\cos^2\alpha-8\cos^3\alpha \right] +\cdots
− 16 5 ( r r ′ ) 3 [ ( r r ′ ) 3 − 3 ( r r ′ ) 2 2 cos α + 3 ( r r ′ ) 4 cos 2 α − 8 cos 3 α ] + ⋯
이제 r ′ r \dfrac{r^{\prime}}{r} r r ′ 의 차수에 맞춰서 정리하면
1 + ( r ′ r ) cos α + ( r ′ r ) 2 ( − 1 2 + 3 2 cos 2 α ) + ( r ′ r ) 3 ( − 3 2 cos α + 5 2 cos 3 α ) + ⋯
1+\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)\cos\alpha +\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^2\left(-\dfrac{1}{2} +\dfrac{3}{2}\cos^2\alpha \right)+\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^3 \left( -\dfrac{3}{2}\cos\alpha +\dfrac{5}{2}\cos^3\alpha \right) + \cdots
1 + ( r r ′ ) cos α + ( r r ′ ) 2 ( − 2 1 + 2 3 cos 2 α ) + ( r r ′ ) 3 ( − 2 3 cos α + 2 5 cos 3 α ) + ⋯
이를 정리하면
1 + ( r ′ r ) ( cos α ) + ( r ′ r ) 2 ( 3 cos 2 α − 1 2 ) + ( r ′ r ) 3 ( 5 cos 2 α − 3 cos α 2 ) + ⋯
1+\left(\dfrac{r^{\prime}}{r}\right)\left( \cos\alpha \right) +\left( \dfrac{r^{\prime}}{r} \right)^2 \left( \dfrac{3\cos^2\alpha -1 }{2}\right) +\left( \dfrac{r^{\prime}}{r}\right)^3 \left( \dfrac{5\cos^2\alpha-3\cos\alpha}{2} \right) +\cdots
1 + ( r r ′ ) ( cos α ) + ( r r ′ ) 2 ( 2 3 cos 2 α − 1 ) + ( r r ′ ) 3 ( 2 5 cos 2 α − 3 cos α ) + ⋯