Divergenza, rotore ed equazioni di Maxwell per l'elettrostatica
In questa pagina 8
Lezione del 20.10 (sezioni 2.6 e 3.4 ed esercizio 3.5 del libro di testo). Prerequisiti: Flusso elettrico e legge di GaussIl flusso di E attraverso una superficie è Φ = ∫ E·n dS (quante linee di campo la attraversano). Legge di Gauss: il flusso uscente da qualunque superficie chiusa è uguale alla carica interna divisa per ε₀, Φ = Q_int/ε₀; le cariche esterne danno flusso totale nullo. Si dimostra con l'angolo solido ed è conseguenza diretta del fatto che il campo di Coulomb va come 1/r².Flusso elettrico e legge di Gauss →, Lavoro della forza elettrica e potenziale elettrostaticoIl lavoro della forza elettrostatica non dipende dal percorso (campo conservativo, circuitazione nulla); si definisce quindi il potenziale V con V(B) − V(A) = −∫ da A a B di E·ds, misurato in volt (1 V = 1 J/C). Carica puntiforme: V = q/(4πε₀r) con V(∞) = 0; più cariche: somma (scalare) dei potenziali. La forza elettromotrice di un percorso chiuso è la circuitazione di E, nulla in elettrostatica.Lavoro della forza elettrica e potenziale elettrostatico →, Campo come gradiente del potenziale e superfici equipotenzialiIl campo si ottiene dal potenziale come E = −∇V, cioè Ex = −∂V/∂x, Ey = −∂V/∂y, Ez = −∂V/∂z: punta dove V diminuisce più rapidamente e il suo modulo è la rapidità di variazione. Le superfici equipotenziali (V costante) sono sempre perpendicolari alle linee di campo, e spostarsi su di esse non costa lavoro.Campo come gradiente del potenziale e superfici equipotenziali →. Le stesse operazioni servono per il campo magnetico (Legge di Ampère e circuitazione del campo magnetico) e per le equazioni di Maxwell complete. Passare dalla forma integrale a quella locale è una domanda d'esame ricorrente.
Forma integrale e forma locale
Le due leggi dell'elettrostatica trovate finora sono integrali: riguardano superfici e curve finite.
- Gauss: .
- Campo conservativo: .
Si vuole una versione locale, cioè un'equazione che valga punto per punto e leghi il campo in un punto alla carica in quello stesso punto. Servono due operazioni differenziali.
L'operatore nabla
Non è un vettore vero e proprio, ma un "vettore di derivate" che si usa con le regole formali del calcolo vettoriale:
| Operazione | Si applica a | Risultato | Formula |
|---|---|---|---|
| gradiente | scalare | vettore | |
| divergenza | vettore | scalare | |
| rotore | vettore | vettore | determinante formale (sotto) |
| laplaciano | scalare | scalare |
Divergenza e teorema della divergenza
Significato. La divergenza in un punto è il flusso uscente per unità di volume da una superficie piccolissima attorno al punto: Divergenza positiva: il punto è una "sorgente" da cui le linee escono; negativa: un "pozzo" dove entrano; nulla: tante linee entrano quante ne escono.
Perché la formula con le derivate. Si prende un cubetto di lati . Il flusso attraverso le due facce perpendicolari a è (la faccia di sinistra ha normale verso ). Sommando le tre coppie di facce e dividendo per il volume si ottiene .
Teorema della divergenza (di Gauss-Green). Per un campo vettoriale regolare e un volume con bordo :
Il flusso uscente totale è la somma dei flussi uscenti dai cubetti in cui si divide il volume: attraverso le facce interne in comune il flusso esce da un cubetto ed entra nel vicino, e si cancella; resta solo il flusso attraverso il bordo esterno.
Rotore e teorema di Stokes
Significato. La componente del rotore lungo una direzione è la circuitazione per unità di area lungo un piccolo circuito perpendicolare a : misura quanto il campo "gira" attorno al punto. Un mulinello messo nel "fluido" del campo ruoterebbe dove il rotore è diverso da zero.
Teorema di Stokes (del rotore). Per una curva chiusa e una qualunque superficie che ha come bordo (orientata con la regola della mano destra):
Stesso ragionamento: si divide la superficie in quadratini; le circuitazioni sui lati interni in comune si cancellano (percorsi in versi opposti), resta la circuitazione sul bordo.
Le equazioni di Maxwell dell'elettrostatica
Prima equazione: Gauss in forma locale
Si scrive la carica interna come integrale della densità, , e si applica il teorema della divergenza al primo membro:
Questo vale per ogni volume . Due funzioni che hanno lo stesso integrale su ogni volume, anche piccolissimo, coincidono punto per punto:
Il campo "nasce" dove c'è carica positiva e "muore" dove c'è carica negativa; nel vuoto, senza cariche, .
Seconda equazione: campo irrotazionale
Per il teorema di Stokes, per ogni curva diventa per ogni superficie, quindi
Il campo elettrostatico è irrotazionale. È equivalente a dire che esiste un potenziale con (il rotore di un gradiente è sempre zero, perché le derivate miste sono uguali: ad esempio ).
| Forma integrale | Forma locale | |
|---|---|---|
| Gauss | ||
| circuitazione | ||
| teorema usato | della divergenza | di Stokes |
Equazioni di Poisson e di Laplace
Sostituendo nella prima equazione: , cioè
Un'unica equazione per un'unica funzione scalare contiene tutta l'elettrostatica: risolta con le condizioni al contorno (per esempio i potenziali dei conduttori), dà il potenziale e quindi il campo.
Esempi di verifica
Sfera piena uniforme. Dentro, (Legge di Gauss - guscio, sfera, cilindro e pianoCon la legge di Gauss e una superficie scelta secondo la simmetria si trovano subito i campi: guscio sferico (nullo dentro, q/(4πε₀r²) fuori), sfera piena uniforme (ρr/(3ε₀) dentro, cresce linearmente), cilindro o filo indefinito (λ/(2πε₀r) fuori), piano indefinito (σ/(2ε₀)); integrando il campo si ottengono i potenziali.Legge di Gauss - guscio, sfera, cilindro e piano →). Divergenza: ✓. Fuori il campo va come , e un conto diretto dà divergenza nulla (non c'è carica) ✓.
Campo uniforme : tutte le derivate sono nulle, divergenza e rotore nulli. Infatti tra le armature di un condensatore non c'è carica.
Un campo che non è elettrostatico. : . Questo campo "gira" attorno all'asse e non può essere prodotto da cariche ferme. Campi di questo tipo nascono da campi magnetici variabili (Legge di Faraday-Neumann-Lenz e fem indotta).
Errori comuni
- Confondere divergenza (scalare) e rotore (vettore).
- Concludere "flusso nullo ⇒ ovunque": un flusso totale nullo dice solo che la carica totale interna è zero.
- Dimenticare l'argomento "per ogni volume" nel passaggio dall'uguaglianza degli integrali all'uguaglianza delle funzioni: è il punto chiave della dimostrazione.