¿Cómo podemos derivar las formas diferenciales de la ecuación de Maxwell a partir de sus formas integrales?

Gracias por preguntar. Voy a tratar de dar una idea amplia aquí sin los detalles.

Creo que el primer paso es entender el teorema fundamental del cálculo, que relaciona las integrales y las derivadas en una dimensión. Entonces estás preparado para entender múltiples dimensiones.

Supongamos que estás montando en un coche. Observa el velocímetro a cada momento desde las 12:37 a las 12:40 p. M. Con esa información, puedes averiguar qué tan lejos llegaste durante esos tres minutos. La distancia recorrida es la integral de la velocidad.

Para reafirmar eso, hay una función (desplazamiento) y un intervalo (12:37 PM a 12:40 PM). Si conoce la derivada de la función en el intervalo, la integración le da el cambio en la función en el límite. (Si observa el velocímetro durante los tres minutos, la integración le proporciona la distancia recorrida. El “límite” es solo los dos puntos finales del intervalo).

Ahora haremos lo mismo con un derivado vectorial, como la divergencia. Hay una función (el campo eléctrico) y un intervalo (el interior de una caja). Si conoce la divergencia de la función en el intervalo, la integración le proporciona el flujo de la función en el límite. (Si integras la divergencia del campo eléctrico en el interior de la caja, te indica el flujo eléctrico a través de la caja).

Lo que he hecho es repetir el mismo teorema con unas pocas palabras diferentes para que funcione en tres dimensiones. La función va desde el desplazamiento en una dimensión al campo eléctrico en tres dimensiones. Pasamos de examinar la derivada del desplazamiento a examinar la divergencia del campo eléctrico. Pasamos de la integración en un intervalo de tres minutos a la integración en el interior de una caja. Pasamos de aprender sobre el cambio de la función a lo largo del intervalo a aprender sobre el flujo a través de los bordes del cuadro (en ambos casos estamos aprendiendo acerca de la función en el límite del intervalo)

Las dos situaciones que he descrito están cubiertas respectivamente por el “Teorema fundamental del cálculo” y “El teorema de la divergencia”. Esperemos que puedan ver que son muy similares. Es posible entrar en más detalles y hacer que el teorema de la divergencia sea preciso e intuitivo, de la misma manera que el teorema fundamental del cálculo.

El razonamiento es esencialmente el mismo en ambos casos (una derivada en un intervalo le informa sobre la función en el límite) y, de hecho, ambos son solo ejemplos de un resultado más abstracto denominado teorema de Stokes. La idea principal es que si el cálculo puede llevarlo de ida y vuelta entre integrales y derivadas en una dimensión, también puede llevarlo de un lado a otro entre campos vectoriales y derivados vectoriales. Esto es lo que sucede cuando se pasa de la forma diferencial a la integral de las ecuaciones de Maxwell.

de las ecuaciones de Maxwell

La ecuación diferencial dice que la divergencia es la densidad de carga. El teorema de la divergencia dice que la integración de la divergencia da el flujo. Por lo tanto, la integración de la densidad de carga da el flujo. Esa es la ecuación integral.

Tarda un tiempo en obtener los detalles, traducir las palabras a los símbolos matemáticos y hacer que se sienta intuitivo. Hice esto aprendiendo de libros sobre electricidad y magnetismo. Tengo algunos amigos matemáticos que no creen que sea posible (para todos), y que tienes que aprender geometría diferencial antes de que puedas obtenerla. Supongo que tendrás que elegir qué camino te funciona mejor, pero en última instancia, el objetivo es ver que ir y venir es solo un poco de cálculo.

¡Esto va a ser genial!


Primero comencemos con la forma integral de la Ley de Gauss para campos eléctricos

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ oint_S \ overrightarrow {E} .d \ overrightarrow {A} & = \ dfrac {Q_ {enc}} {\ epsilon_o} \ end {split} \ end {ecuación } \ tag * {} [/ math]

Ahora usaré el Teorema de la divergencia de Gauss en el LHS y en el RHS, puedo expresar la carga incluida como [math] Q_ {enc} = \ displaystyle \ int_ {V} \ rho \, dV [/ math]

¡Hagámoslo!

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ int_V (\ overrightarrow {\ nabla}. \ overrightarrow {E}) dV & = \ dfrac {1} {\ epsilon_o} \ displaystyle \ int_ {V} \ rho \ , dV \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]

Ya que tenemos integrales de volumen en ambos lados de la ecuación, podemos comparar lo que hay dentro …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} (\ overrightarrow {\ nabla}. \ overrightarrow {E}) & = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_o} \\\ implica (\ overrightarrow {\ nabla} . \ epsilon_o \ overrightarrow {E}) & = \ rho \\\ implica \ boxed {\ overrightarrow {\ nabla}. \ overrightarrow {D} ​​= \ rho} \ end {split} \ end {equation} \ tag * { }[/mates]

Tenga en cuenta que [math] D [/ math] es un vector de desplazamiento eléctrico.

¡Lo que acabamos de obtener fue la forma diferencial de la primera ecuación de Maxwell!


Ahora abordemos con la forma Integral de la Ley de Gauss para Campos Magnéticos

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ Phi_B = \ oint_S \ overrightarrow {B} .d \ overrightarrow {A} & = 0 \\\ implica \ oint_S \ overrightarrow {B}. \ hat {n} \, da & = 0 \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]

Ahora, usaré el Teorema de la Divergencia de Gauss …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ displaystyle \ int_ {V} (\ overrightarrow {\ nabla}. \ overrightarrow {B}) \, dV & = 0 \\\ implica \ boxed {\ overrightarrow {\ nabla}. \ overrightarrow {B} = 0} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]

Eso fue bastante simple.


Ahora, le daré una oportunidad a la forma integral de la Ley de Faraday para la inducción de campos eléctricos

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ displaystyle \ oint \ overrightarrow {E} .d \ overrightarrow {l} & = – \ dfrac {d \ Phi_B} {dt} \ end {split} \ end { ecuación} \ tag * {} [/ math]

Podemos reescribir el RHS usando la ley de Gauss para campos magnéticos como …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ displaystyle \ oint \ overrightarrow {E} .d \ overrightarrow {l} & = – \ dfrac {d} {dt} \ displaystyle \ int_S \ overrightarrow {B}. d \ overrightarrow {A} \\ & = – \ int_S \ dfrac {d \ overrightarrow {B}} {dt} .d \ overrightarrow {A} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ mates]

Ahora voy a usar el teorema de Stokes en el LHS para seguir progresando …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ displaystyle \ int_S (\ overrightarrow {\ nabla} \ times \ overrightarrow {E}). d \ overrightarrow {A} & = – \ int_S \ dfrac {d \ overrightarrow {B}} {dt} .d \ overrightarrow {A} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]

Dado que tanto LHS como RHS son integrales de superficie, simplemente podemos comparar lo que hay dentro para obtener una relación …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ implica \ boxed {(\ overrightarrow {\ nabla} \ times \ overrightarrow {E}) = – \ dfrac {d \ overrightarrow {B}} {dt}} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]


¡Uf!

Ahora, vamos a pasar a la ecuación final. Sí, estoy hablando de la ley de Ampere y Maxwell para la inducción de campos magnéticos.

Aquí está la forma integral de la Ley de Ampere …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ oint \ overrightarrow {B} .d \ overrightarrow {l} & = \ mu_oI_ {enc} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [ /mates]

Y aquí está la forma integral de la Ley de Inducción de Maxwell …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ oint \ overrightarrow {B} .d \ overrightarrow {l} & = \ mu_o \ epsilon_o \ dfrac {d \ Phi_E} {dt} \ end {split} \ end {ecuación} \ etiqueta * {} [/ math]

Ahora, lo que voy a hacer es combinar ambas ecuaciones en una sola ecuación …

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ oint \ overrightarrow {B} .d \ overrightarrow {l} & = \ mu_o \ epsilon_o \ dfrac {d \ Phi_E} {dt} + \ mu_oI_ {enc} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/ math]

Ahora presta mucha atención! Usaré el Teorema de Stokes en el LHS. En el RHS, reescribiré esos 2 términos haciendo uso de la Ley de Gauss para campos eléctricos y densidad actual [math] (J) [/ math].

¡Hagámoslo!

[math] \ begin {equation} \ begin {split} \ displaystyle \ int_S (\ overrightarrow {\ nabla} \ times \ overrightarrow {B}). d \ overrightarrow {A} & = \ mu_o \ epsilon_o \ displaystyle \ int_S \ dfrac {d \ overrightarrow {E}} {dt} .d \ overrightarrow {A} + \ mu_o \ displaystyle \ int_S \ overrightarrow {J} .d \ overrightarrow {A} \\\ implica \ boxed {\ overrightarrow {\ nabla } \ times \ overrightarrow {B} = \ mu_o \ epsilon_o \ dfrac {d \ overrightarrow {E}} {dt} + \ mu_o \ overrightarrow {J}} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {} [/mates]


¡¡Paz!!

El concepto no es realmente un juego de niños para que lo comprenda una persona en la escuela. Sin embargo, recomiendo un cierto libro para aclarar conceptos relacionados con grad, divergencia de rizo, etc. ” Div, grad, rizo y todo eso ” por HM Schey

Ese es el problema con la física escolar, no te enseñan los conceptos básicos de los conceptos fundamentales. La mayoría de las leyes están escritas o derivadas en sus formas diferenciales como una tasa de algo con respecto a otra … La ley está escrita en su forma integral para que sea más fácil calcular lo que está cambiando. Teniendo esto en cuenta, debería ser más fácil seguir las representaciones integrales y diferenciales de la misma ley. Además, en lugar de pensar en términos de curvatura y divergencia, piense en su significado, por ejemplo, la divergencia se puede considerar como la pendiente a lo largo de los tres ejes de coordenadas …