Magnetische Multipole: Unterschied zwischen den Versionen

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<noinclude>{{Scripthinweis|Elektrodynamik|2|4}}</noinclude>
<noinclude>{{Scripthinweis|Elektrodynamik|2|4}}</noinclude>
 
== (stationär)==
( stationär)


Ausgangspunkt ist
Ausgangspunkt ist
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi }\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\frac{\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi }\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\frac{\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
(mit der Coulomb- Eichung
(mit der Coulomb- Eichung <math>\nabla \cdot \bar{A}(\bar{r})=0</math>)
:<math>\nabla \cdot \bar{A}(\bar{r})=0</math>
 
)


mit den Randbedingungen
mit den Randbedingungen
:<math>\bar{A}(\bar{r})\to 0</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})\to 0</math> für r→ unendlich
für r-> unendlich


Taylorentwicklung nach
Taylorentwicklung nach
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}</math>
von analog zum elektrischen Fall:
von analog zum elektrischen Fall:
Die Stromverteilung
 
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math>
Die Stromverteilung <math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math> sei stationär für <math>r>>r\acute{\ }</math>
sei stationär für
:<math>r>>r\acute{\ }</math>


:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}=\frac{1}{r}+\frac{1}{{{r}^{3}}}\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
:<math>\frac{1}{\left| \bar{r}-\bar{r}\acute{\ } \right|}=\frac{1}{r}+\frac{1}{{{r}^{3}}}\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
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:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi r}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })+\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi r}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })+\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)+...</math>


'''Monopol- Term'''
===Monopol- Term===


'''Mit'''
'''Mit'''
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:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{x}_{k}}\acute{\ }\left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)+\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{x}_{k}}\acute{\ }\left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)+\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)</math>


Im stationären Fall folgt aus der Kontinuitätsgleichung:
Im stationären Fall folgt aus der {{FB|Kontinuitätsgleichung}}:


:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ })=0</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \bar{j}(\bar{r}\acute{\ })=0</math>
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:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)={{j}_{l}}{{\delta }_{kl}}={{j}_{k}}</math>
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\cdot \left( {{\nabla }_{r\acute{\ }}}{{x}_{k}}\acute{\ } \right)={{j}_{l}}{{\delta }_{kl}}={{j}_{k}}</math>


Mit
Mit <math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{j}_{k}}</math> folgt dann:
:<math>{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]={{j}_{k}}</math>
folgt dann:


:<math>\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{j}_{k}}(\bar{r}\acute{\ })=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>
:<math>\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{j}_{k}}(\bar{r}\acute{\ })=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }}{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\cdot \left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>


Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie
<u>Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie.</u>


'''Dipol- Term'''
=== Dipol- Term ===


mit


:<math>\left[ \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]\times \bar{r}=\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ }=2\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>
mit <math>\left[ \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]\times \bar{r}=\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ }=2\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}-\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math> und mit
 
und mit


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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:<math>\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=0</math>
:<math>\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }{{\nabla }_{r\acute{\ }}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=\oint\limits_{S\infty }{d\bar{f}}\left[ {{x}_{k}}\acute{\ }\left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j} \right]=0</math>
weil der Strom verschwindet !
weil der Strom verschwindet!
Somit gibt der Term
Somit gibt der Term


:<math>\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>
:<math>\left[ \left( \bar{r}\bar{r}\acute{\ } \right)\bar{j}+\left( \bar{r}\bar{j} \right)\bar{r}\acute{\ } \right]</math>


keinen Beitrag zum
'''keinen Beitrag zum'''


:<math>\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)</math>
:<math>\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\left( \bar{r}\cdot \bar{r}\acute{\ } \right)</math>
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:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\frac{1}{2}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\left( \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)\times \bar{r}</math>
:<math>\bar{A}(\bar{r})=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\pi {{r}^{3}}}\frac{1}{2}\int_{{{R}^{3}}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\left( \bar{r}\acute{\ }\times \bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right)\times \bar{r}</math>


Als DIPOLPOTENZIAL !!
Als {{FB|Dipolpotenzial}}!!


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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\end{align}</math>
\end{align}</math>


das magnetische Dipolmoment !
das magnetische Dipolmoment!


Analog zu
Analog zu
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:<math>\bar{E}(\bar{r}):=\frac{1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{r}^{5}}}\left[ 3\left( \bar{p}\cdot \bar{r} \right)-{{r}^{2}}\bar{p} \right]</math>
:<math>\bar{E}(\bar{r}):=\frac{1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{r}^{5}}}\left[ 3\left( \bar{p}\cdot \bar{r} \right)-{{r}^{2}}\bar{p} \right]</math>
 
{{Beispiel|1=
<u>'''Beispiel: Ebene Leiterschleife L:'''</u>
Beispiel: Ebene Leiterschleife L:




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die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F
die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F


Also: Ein Ringstrom bedingt ein magnetisches Dipolmoment
Also: Ein Ringstrom bedingt ein {{FB|magnetisches Dipolmoment}} <math>\bar{m}</math> }}
:<math>\bar{m}</math>


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment
:<math>\bar{p}=q\bar{a}</math>,
welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment
:<math>\bar{p}=q\bar{a}</math>
, welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


<u>'''Bewegte Ladungen'''</u>
=== Bewegte Ladungen ===
N Teilchen mit den Massen mi und den Ladungen qi bewegen sich.


Dabei sei die spezifische Ladung
N Teilchen mit den Massen m<sub>i</sub> und den Ladungen q<sub>i</sub> bewegen sich.


:<math>\frac{{{q}_{i}}}{{{m}_{i}}}=\frac{q}{m}</math>
Dabei sei die spezifische Ladung <math>\frac{{{q}_{i}}}{{{m}_{i}}}=\frac{q}{m}</math> konstant:
konstant:


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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\end{align}</math>
\end{align}</math>


Das magnetische Dipolmoment beträgt:
Das {{FB|magnetische Dipolmoment}} beträgt:


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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Mit dem Bahndrehimpuls
Mit dem {{FB|Bahndrehimpuls}} <math>\bar{L}</math>:
:<math>\bar{L}</math>
:


:<math>\bar{m}=\frac{q}{2m}\bar{L}</math>
:<math>\bar{m}=\frac{q}{2m}\bar{L}</math>
gilt aber auch für starre Körper !
gilt aber auch für starre Körper!
* Allgemeines Gesetz !
* Allgemeines Gesetz!


Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons !!!
Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons!!!


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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\end{align}</math>
\end{align}</math>


Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen !
Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen!


'''Kraft auf eine Stromverteilung:'''
==== Kraft auf eine Stromverteilung ====


:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })={{\rho }_{i}}(\bar{r}\acute{\ })\bar{v}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })={{\rho }_{i}}(\bar{r}\acute{\ })\bar{v}(\bar{r}\acute{\ })</math>


im Feld einer externen magnetischen Induktion
im Feld einer externen {{FB|magnetischen Induktion}} <math>\bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>:
:<math>\bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:


Spürt die Lorentzkraft
Spürt die {{FB|Lorentzkraft}}


:<math>\bar{F}=\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\times \bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
:<math>\bar{F}=\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })\times \bar{B}(\bar{r}\acute{\ })</math>
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im stationären Fall gilt wieder:
im stationären Fall gilt wieder:


:<math>\left[ \int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math>
:<math>\left[ \int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }\bar{j}(\bar{r}\acute{\ }) \right]=0</math> (keine Monopole)
( keine Monopole)
Also:
Also:


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:<math>\left[ {{\nabla }_{r}}\times \bar{B}(\bar{r}) \right]=0</math>
:<math>\left[ {{\nabla }_{r}}\times \bar{B}(\bar{r}) \right]=0</math>


( Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von
(Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von <math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math> haben:
:<math>\bar{j}(\bar{r}\acute{\ })</math>
haben:


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:<math>\begin{align}
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\end{align}</math>
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( Vergl. S. 34)
(Vergl. S. 34)

Aktuelle Version vom 16. September 2010, 12:18 Uhr



(stationär)

Ausgangspunkt ist

(mit der Coulomb- Eichung )


mit den Randbedingungen

für r→ unendlich

Taylorentwicklung nach

von analog zum elektrischen Fall:

Die Stromverteilung sei stationär für

Monopol- Term

Mit

Im stationären Fall folgt aus der Kontinuitätsgleichung:

Mit folgt dann:

Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie.

Dipol- Term

mit und mit

Folgt:

Da

weil der Strom verschwindet! Somit gibt der Term

keinen Beitrag zum

Also:

Als Dipolpotenzial!!

das magnetische Dipolmoment!

Analog zu

dem elektrischen Dipolmoment

Die magnetische Induktion des Dipolmomentes ergibt sich als:

Wegen:

mit

Analog ergab sich als elektrisches Dipolfeld:

Beispiel: Ebene Leiterschleife L:


Mit I = Strom durch den Leiter

Dabei ist

die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F

Also: Ein Ringstrom bedingt ein magnetisches Dipolmoment


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment

,
welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.


Bewegte Ladungen

N Teilchen mit den Massen mi und den Ladungen qi bewegen sich.

Dabei sei die spezifische Ladung konstant:

Das magnetische Dipolmoment beträgt:

Mit dem Bahndrehimpuls :

gilt aber auch für starre Körper!

  • Allgemeines Gesetz!

Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons!!!

Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen!

Kraft auf eine Stromverteilung

im Feld einer externen magnetischen Induktion :

Spürt die Lorentzkraft

Talyorentwicklung liefert:

im stationären Fall gilt wieder:

(keine Monopole)

Also:

Man fordert:

(Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von haben:

(Vergl. S. 34)