ELETTROSTATICA Notazioni vettoriali ed ... - Cm-physmath.net
ELETTROSTATICA Notazioni vettoriali ed ... - Cm-physmath.net
ELETTROSTATICA Notazioni vettoriali ed ... - Cm-physmath.net
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 16<br />
Unità 2<br />
<strong>ELETTROSTATICA</strong><br />
<strong>Notazioni</strong> <strong>vettoriali</strong> <strong>ed</strong> espansione in serie di multipoli<br />
Introduzione<br />
Hai già studiato gran parte dei concetti fisici presenti in questa Unità, ad esempio, i concetti di<br />
carica e di distribuzione di carica di volume, ρ , la legge di Coulomb, il campo elettrostatico, E ,<br />
il potenziale elettrostatico, Φ , la legge di Gauss-Maxwell e il dipolo elettrico, p .<br />
Sai anche eseguire calcoli semplici utilizzando tutti questi concetti dal tuo corso di Fisica<br />
(Generale) 2. In questa Unità, tali concetti sono rivisti da un punto di vista matematico più<br />
sofisticato di quanto tu non abbia fatto in prec<strong>ed</strong>enza. Ad esempio, l’Analisi Vettoriale viene<br />
impiegata più estensivamente. Inoltre, vengono scritte espressioni per la legge di Coulomb, per il<br />
campo elettrostatico E e per il potenziale elettrostatico Φ rispetto a un sistema di coordinate<br />
arbitrario piuttosto che relativo alla posizione dove la forza o il campo o il potenziale elettrostatici<br />
siano calcolati.<br />
Inoltre, in questa Unità, viene generalizzato l’argomento del dipolo elettrico attraverso il concetto<br />
di espansione in serie di multipoli o, più brevemente, di espansione di multipolo.<br />
Con un’espansione di multipolo, il campo e il potenziale elettrostatici di una distribuzione di carica<br />
arbitraria sono approssimabili a un grado qualsiasi di accuratezza. Ciò richi<strong>ed</strong>e l’introduzione dei<br />
concetti di momento di monopolo, momento di dipolo, momento di quadrupolo, etc., di una<br />
distribuzione di carica. I momenti di una distribuzione di carica sono molto importanti nelle<br />
valutazioni quantitative fini.<br />
Obiettivi<br />
Essere in grado di eseguire quanto segue senza libri o appunti, salvo indicazione esplicita diversa:<br />
1. definire o spiegare, con una o due frasi e usando equazioni esplicative, se necessario,<br />
ciascuno dei termini e concetti seguenti, discussi in RMC:<br />
Densità di carica di volume, ρ ( r ) : v. Eq. (2-3);<br />
Momento di monopolo elettrico, Q<br />
(i.e., la carica elettrica totale):<br />
v. il primo integrale<br />
nell’espansione (2-48);<br />
Densità di carica superficiale, σ ( r ) : v. Eq. (2-4);<br />
Momento di dipolo elettrico, p( r ) : v. Eq. (2-50);<br />
Momento di quadrupolo elettrico, ij Q : v. Eq. (2-52);<br />
2. scrivere a memoria le espressioni formali della legge di Coulomb della forza esercitata su<br />
una carica-test da una distribuzione arbitraria di carica, Eq. (2-7), e del campo e del<br />
potenziale elettrostatici di una distribuzione arbitraria di carica, Eq. (2-8) e (2-15);<br />
3. scrivere all’istante la relazione tra il campo elettrostatico e il suo potenziale, i.e.,<br />
E( r) = −∇∇∇∇<br />
Φ ( r)<br />
;
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 17<br />
4. scrivere a memoria la legge di Gauss-Maxwell in forma integrale, Eq. (2-25), e in forma<br />
differenziale, Eq. (2-28), ricavando tali forme l’una dall’altra m<strong>ed</strong>iante il Teorema della<br />
divergenza, Eq. (1-37);<br />
5. nel caso del dipolo elettrico semplice, ricavare la forma approssimata (al 1.o ordine vs. la<br />
separazione l del dipolo) del campo elettrostatico, Eq. (2-36), e del potenziale elettrostatico,<br />
Eq. (2-39), a partire dalle loro forme esatte rispettive;<br />
6. calcolare i momenti di monopolo, di dipolo e di quadrupolo per una distribuzione di carica<br />
assegnata. Calcolare, per una distribuzione di carica data, forme approssimate del potenziale<br />
elettrostatico a grande distanza dalla distribuzione di cariche-sorgente.<br />
Proc<strong>ed</strong>imenti<br />
1. Leggi il Capitolo 2 in RMC;<br />
2. Scrivi i termini e le equazioni necessarie per gli Obiettivi 1, 2 e 3.<br />
3. Scrivi i dettagli della determinazione della forma differenziale della legge di Gauss-Maxwell,<br />
come essa è presentata alle p. 35-38, dall’Eq. (2-25) all’Eq. (2-28).<br />
Tale determinazione può essere invertita, incominciando con la forma differenziale della<br />
legge di Gauss-Maxwell e ricavandone la forma integrale equivalente.<br />
4. Scrivi la determinazione della forma approssimata del campo elettrostatico di un dipolo<br />
elettrico semplice, Eq. (2-36), al 1.o ordine della separazione l del dipolo, a partire dalla<br />
forma esatta del campo elettrostatico, Eq. (2-32). Seguendo i suggerimenti a p. 39, è utile<br />
ricordare l’M-espansione binomiale, valida per x < 1 ∧ α ∈ RRRR ,<br />
α α ( α − 1)<br />
2<br />
( 1 + x) = 1 + αx<br />
+ x + … .<br />
2!<br />
Così, quando | l | | r − r ′ | ≪ 1 ∧ α ≡ − 3 2,<br />
risulta,<br />
−3 2 −3<br />
2<br />
2<br />
⎡ 2( r − r′ ) ⋅ ⋅ l l ⎤ ⎡ 2( r − r′ ) ⋅ ⋅ l ⎤ 3(<br />
r − r′ ) ⋅<br />
⋅ l<br />
⎢1 − + ≈ − ≈ +<br />
2 2<br />
| − ′ | | − ′ |<br />
⎥ ⎢<br />
1 2<br />
| − ′ | ⎥<br />
1<br />
2<br />
⎣ r r r r ⎦ ⎣ r r ⎦ | r − r′<br />
|<br />
al 1.o ordine in l . Inoltre,<br />
p : = lim ql<br />
.<br />
l → 0<br />
q → +∞<br />
Questi risultati sono usati nei calcoli. Scrivi i passaggi del calcolo della forma approssimata<br />
del potenziale elettrostatico, Eq. (2-39), al 1.o ordine nella separazione l del dipolo, a partire<br />
dalla forma esatta del campo elettrostatico.<br />
5. Scrivi l’espressione della forma approssimata del potenziale elettrostatico, Eq. (2-48), di una<br />
distribuzione arbitraria di carica a partire dalla forma esatta del potenziale, Eq. (2-45).<br />
Questa espressione richi<strong>ed</strong>e qualche commento. La carica è localizzata nel volume V con<br />
densità ρ ( r ′ ) , come mostrato in RMC, p. 41, Fig. 2-10.<br />
Supponi che d sia una lunghezza caratteristica dell’estensione spaziale del volume V e,<br />
preso r come punto di osservazione (o punto-campo) tale che r′ r d r ≪ 1 , con
′ ≡ | r′ | ∧ r ≡ | r | , esegui l’espansione di<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 18<br />
2<br />
⎡ r ⎤<br />
−1 2 2 −1 2 ⎛ 2r<br />
⋅ r′<br />
′ ⎞<br />
| r − r′ | ≡ ( r − 2r ⋅ r′<br />
+ r′ ) ≡ r ⎢1 − ⎜ − 2 2 ⎟⎥<br />
⎣ ⎝ r r ⎠⎦<br />
2<br />
in potenze dir ′ r . I termini dell’espansione che coinvolgono potenze superiori di ( r′ r)<br />
sono trascurati nelle Eq. (2-46) e (2-47) in RMC.<br />
Pertanto, il risultato finale approssimato per il potenziale può essere espresso come<br />
3 3<br />
1 ⎛Q p ⋅ r 1 x ix j ⎞<br />
Φ ( r)<br />
≈ ⎜ + + ∑ ∑ Q ij ⎟ , (1)<br />
3 5<br />
4πε 0 ⎝ r r 2 i = 1 j = 1 r ⎠<br />
dove si riconoscono i primi tre momenti elettrostatici:<br />
∫ ∫ r è il momento di monopolo, i.e., la carica totale in V (uno scalare),<br />
Q ≡ dQ′ = ρ ( ′ ) dv′<br />
V V<br />
p ≡ ∫ r′ ρ ( r ′ ) dv′<br />
è il momento di dipolo (un vettore),<br />
V<br />
2<br />
∫ ( 3 δ ) ρ ( )<br />
Q ≡ Q = x′ x′ − r′ r ′ dv′<br />
è la ij -componente (uno scalare) del momento di<br />
ij ji i j ij<br />
V<br />
quadrupolo. Formalmente, si può considerare Q ij come l’elemento ij -esimo di una matrice<br />
quadrata simmetrica 3 × 3 , Q, che rappresenta il tensore di quadrupolo elettrico. Con i<br />
simboli x′ ≡ x′<br />
1 , x′ ≡ y′<br />
2 , x′ ≡ z′<br />
3 e tenuto conto della presenza dell’elemento generico δ ij<br />
della matrice identità I 3 , i.e., il tensore di Kronecker di dimensione 3, si scrive, e.g.,<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
∫ ⎡3 ( ) ⎤ ∫ ( 2<br />
)<br />
Q = x′ − δ x′ + x′ + x′ ρ ( ′ ) dv′ ≡ x′ − x′ −x<br />
′ ρ ( ′ ) dv′<br />
11 ⎣ 1 11 1 2 3 ⎦<br />
r 1 2 3 r ,<br />
V V<br />
∫ ∫<br />
2<br />
Q ≡ Q = ( 3x′<br />
x′ − δ r′ ) ρ ( r′ ) dv′ ≡ 3 x′ x′ ρ ( r ′ ) dv′<br />
, etc. .<br />
12 21 1 2 12<br />
V V<br />
Inoltre, ricordando che la traccia, tr , di una matrice quadrata è la somma dei suoi elementi<br />
diagonali, è facile verificare un risultato importante relativo alle caratteristiche di simmetria<br />
intrinseche al modello dell’Elettrostatica classica, i.e., che il tensore di quadrupolo è a traccia<br />
nulla,<br />
∑<br />
i =<br />
3<br />
1<br />
1 2<br />
tr Q ≡ Qii<br />
= 0 .<br />
Infatti, per una distribuzione generalmente continua di volume di cariche elettriche, risulta<br />
= x′ − r′ ⌠<br />
′ dv′ ≡<br />
⎛<br />
x′ − r′ ⎞<br />
′ dv′<br />
=<br />
⌡ ⎝ ⎠<br />
3 3<br />
⌠ ⎛ 2 2 ⎞<br />
2 2<br />
= ⎮ ⎜3∑ x′ i − r′ ∑ δ ii ⎟ ρ ( r ′ ) dv′ = ∫ ( 3r′ − 3r′<br />
) ρ ( r ′ ) dv′<br />
= 0 .<br />
⌡V ⎝ i = 1 i = 1 ⎠<br />
V<br />
3 3 3 3<br />
2 2 2 2<br />
∑ Qii ∑ ∫ ( 3 i δ ii ) ρ ( r ) ⎮ ⎜3∑ i ∑ δ ii ⎟ ρ ( r )<br />
i = 1 i = 1 V V i = 1 i = 1<br />
Distribuzioni generalmente continue sia di superficie che di linea e distribuzioni discrete di<br />
cariche elettriche portano, rispettivamente, alle uguaglianze nulle analoghe<br />
3 3<br />
∑ ∑ ∫<br />
ii i ii<br />
i = 1 i = 1 S<br />
2 2 2 2<br />
( 3x′ δ r′ ) σ ( ′ ) da′ … ∫ ( 3r ′ 3r′<br />
)<br />
Q = − r = = − σ ( r ′ ) da′<br />
= 0 ,<br />
S<br />
−1<br />
2
3 3<br />
∑ ∑ ∫<br />
ii i ii<br />
i = 1 i = 1 L<br />
2 2 2 2<br />
( 3x′ δ r′ ) λ ( ′ ) ds′ … ∫ ( 3r′ 3r<br />
′ )<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 19<br />
Q = − r = = − λ ( r ′ ) ds′<br />
= 0,<br />
3 3 n<br />
n<br />
2 2 2 2<br />
∑ Qii<br />
= ∑ ∑ ( 3x′ i, k − δ iir′ k ) q k = … = ( 3r ′ k − 3r′<br />
k )<br />
i = 1 i = 1 k = 1<br />
∑<br />
k = 1<br />
L<br />
q<br />
k<br />
= 0 ,<br />
avendo indicato con λ ( r ′ ) la distribuzione di carica lungo la linea L mentre k è l’indice<br />
corrente sulle n cariche discrete.<br />
Gli sviluppi in serie dei campi Φ ( r ) e E( r ) ( ≡ −∇∇∇∇ Φ ( r)<br />
) sono detti espansioni di multipolo.<br />
Ovviamente, le approssimazioni di entrambi migliorano quanto maggiore è il numero dei<br />
termini consecutivi delle espansioni inclusi.<br />
Il termine successivo a quello di quadrupolo è il momento di ottupolo, importante in Fisica<br />
Nucleare e in Fisica dei Solidi. Più raramente, il momento di esadecupolo (i.e., di 16-polo) si<br />
incontra nella teoria della Struttura Nucleare.<br />
Il momento di monopolo corrisponde, semplicemente, alla carica totale presente in V .<br />
6. Risolvi, a testo chiuso e senza consultarne preventivamente le soluzioni fornite, i problemi<br />
seguenti in RMC:<br />
Problemi 2-5, 2-21, 2-22, 2-26.<br />
Quando avrai risolto i problemi del<br />
Proc<strong>ed</strong>imento 6 in modo soddisfacente,<br />
sarai idoneo per affrontare i Test A e B<br />
dell’Unità di studio 2. Anche di questi,<br />
non dovrai consultare preventivamente le<br />
soluzioni fornite.
Soluzione 2-5<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 20<br />
Soluzioni dei problemi assegnati<br />
(Proc<strong>ed</strong>imento 6)<br />
(a) Con riferimento all’integrale di superficie nell’Eq. (2-8) in RMC, si costruiscono i termini<br />
r ≡ zˆz<br />
(z 0 , posizione, non distanza), r′ ≡ ρ′ ˆ ρρρρ = ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ′<br />
) ,<br />
r − r′ = zˆz − ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ′<br />
) ,<br />
3<br />
| r − r′ |<br />
2 2 2 3 2 2 2 3 2<br />
≡ [ z + ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ<br />
′ ) ] = ( ρ′<br />
+ z ) ,<br />
dQ′ ≡ σdS = σ ρ′ dρ′ dϕ′<br />
.<br />
Pertanto, considerando z invariante vs. l’integrazione, si calcola<br />
2π<br />
1 ⌠ r − r′<br />
σ ⌠ ⌠ zˆz<br />
− ρ′ ( xˆ<br />
cosϕ<br />
′ + ˆy sinϕ′ )<br />
E(<br />
z) = ⎮ dQ′ = dϕ′ ρ′ dρ′<br />
3<br />
⎮<br />
4π ε ⌡S<br />
| − ′<br />
0 r r | 4π<br />
ε<br />
⎮ 2 2 3 2<br />
0 ⌡ ⌡<br />
( ρ′ + z )<br />
0<br />
2π<br />
σz ⌠ ρ′ dρ′<br />
ˆ dϕ′<br />
⌠<br />
≡ z<br />
π ε<br />
⎮ ⎮<br />
,<br />
2 2 3 2<br />
4 ⌡ ⌡0<br />
( ρ′<br />
+ z )<br />
0 0<br />
R<br />
R R<br />
0<br />
R<br />
poiché i termini integrandi goniometrici danno<br />
contributo nullo alla ϕ′ -integrazione,<br />
2 2<br />
σz 1 ⌠ d( ρ′ + z ) σz ( −2) σ z<br />
ˆ ˆ<br />
⎡ ⎤<br />
= z ⎮<br />
= z = −<br />
ˆ<br />
ε ( ρ′ + z ) ε ( ρ′ + z ) ε ⎢<br />
1<br />
2 2 3 2 2 2 1 2 2 2 1 2<br />
( R + z ) ⎥<br />
z .<br />
2 0 2 ⌡0<br />
4 0 2<br />
ρ = 0 0 ⎣ ⎦<br />
Si noti come, per R → + ∞ , si ottenga il risultato elementare ben noto della lamina carica<br />
infinitamente estesa.<br />
(b) Analogamente, la preparazione dell’integrale di volume nell’Eq. (2-8) in RMC, riferito a una<br />
geometria cilindrica, richi<strong>ed</strong>e le specificazioni seguenti:<br />
assegnata l’origine nel centro del cilindro, la coordinata di distanza assiale per le sorgenti è<br />
indicata con ξ′ per evitare confusione con la densità di carica di volume ρ ,<br />
r ≡ 0 , r′ ≡ ξ′ ( xˆ cosϕ′ + ˆy sinϕ′ ) + z′<br />
ˆz<br />
,<br />
r − r′ = − [ ξ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy sinϕ′ ) + z′<br />
ˆz<br />
] ,<br />
3 2 2 2 3 2 2 2 3 2<br />
| r − r′ | ≡ [ ξ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ′ ) + z′ ] = ( ξ ′ + z′<br />
) ,<br />
3<br />
dQ′ ≡ ρ( z) d r = ( ρ + βz ′ ) ξ′ dξ ′ dϕ′ dz′<br />
.<br />
Pertanto, si calcola<br />
0<br />
q ⌠ − r′ q − ξ′ ( ˆ cosϕ′ + ˆ sinϕ′<br />
) − z′<br />
ˆ<br />
( ) dQ′ ⌠ x y z<br />
F 0 = ⎮ = ( ρ + βz′ ) ξ′ dξ′ dϕ′ dz′<br />
3 ⎮<br />
2 2 3 2<br />
0<br />
4π ε ⌡V | ′ | π ε ⌡V<br />
( ξ′<br />
+ z′<br />
0 r 4 0<br />
)<br />
L 2 R<br />
2π<br />
⌠<br />
q<br />
⌠ 2<br />
2<br />
⌠ ⎡ ξ′ ( ρ βz ′ ) cosϕ<br />
′<br />
0 +<br />
ξ ′ ( ρ βz′ ) sinϕ′<br />
0 +<br />
= − ⎮ dz′ ⎮ ξ′ dξ′ ⎮ dϕ′<br />
⎢ xˆ<br />
+ ˆy<br />
+<br />
2 2 3 2<br />
2 2 3 2<br />
4π<br />
ε ( ξ ′ + z′<br />
0 ⎮ ⎮ ⎮ ⎢⎣<br />
)<br />
( ξ′<br />
+ z′<br />
⌡<br />
)<br />
⌡ ⌡0<br />
0<br />
−L<br />
2<br />
ρ ξ′<br />
z′<br />
0<br />
+ ˆz<br />
( ξ′<br />
+ z′<br />
)<br />
2 2 3 2<br />
2<br />
βξ ′ z′<br />
⎤<br />
+ ˆz<br />
⎥ .<br />
2 2 3 2<br />
( ξ′<br />
+ z′<br />
) ⎥⎦
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 21<br />
Il primo e il secondo addendo integrando danno contributo nullo nella ϕ′ -integrazione; il terzo,<br />
invece, dà contributo nullo nella z′ -integrazione, essendo una funzione dispari vs. l’intervallo<br />
simmetrico [ − L 2, L 2 ] .<br />
Pertanto, dopo l’integrazione elementare vs. ϕ′ del quarto termine integrando, si scrive<br />
L 2<br />
R<br />
βq ⌠ 2 ξ′ dξ′<br />
( ) ˆ z′ dz′<br />
⌠<br />
F 0 = − z<br />
ε<br />
⎮ ⎮<br />
,<br />
2 2 3 2<br />
2 ⌡ ⌡0<br />
( ξ′<br />
+ z′<br />
)<br />
0 −L<br />
2<br />
un’espressione completamente assiale, com’è da attendersi. In ogni caso, il verso di F ( 0)<br />
dipende<br />
dal segno del prodotto fenomenologico β q .<br />
L’integrazione vs. ξ′ dà<br />
così che<br />
R<br />
R R<br />
2 2<br />
⌠ ξ′ dξ ′ 1 ⌠ d( ξ′<br />
+ z′<br />
) 1 1 1<br />
⎮ ≡ = − = −<br />
( ξ′ z′ ⎮<br />
⌡0 + ) 2 ⌡ ( ξ′ + z′ ) ( ξ ′ + z′ ) | z′ | ( z′ 0 + R )<br />
ξ ′= 0<br />
2 2 3 2 2 2 3 2 2 2 1 2 2 2 1 2<br />
L 2<br />
βq<br />
⌠ 2<br />
( ) ˆ<br />
⎡ 1 1 ⎤<br />
F 0 = − z ⎮ z′ dz′<br />
ε ⎢<br />
− 2 2 1 2<br />
−L<br />
| z′ | ( z′ + R ) ⎥<br />
(2)<br />
2 0 ⌡ 2 ⎣ ⎦<br />
L 2<br />
2<br />
βq<br />
⌠ ⎡ z′<br />
⎤<br />
≡ − ˆz<br />
z′ dz′<br />
ε<br />
⎮ ⎢ −<br />
( z′ + R )<br />
⎥ ,<br />
2 2 1 2<br />
0 ⌡0<br />
⎣ ⎦<br />
poiché la funzione integranda, nella forma (2), è<br />
pari sull’intervallo simmetrico [ − L 2, L 2 ] ,<br />
L 2<br />
βq<br />
⎧ 2 2<br />
⎪L ⎡z′ R<br />
⎫<br />
2 2 1 2 2 2 1 2 ⎤ ⎪<br />
≡ − ˆz ⎨ − ( z′ + R ) − ln[<br />
z′ + ( z′ + R ) ] ⎬<br />
ε<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎥<br />
0 ⎪⎩ 8 2 2<br />
⎦ 0 ⎪⎭<br />
βq<br />
⎡ 2 2<br />
1 2<br />
L LR ⎛ L ⎞<br />
− L ⎤<br />
2 1<br />
≡ − ⎢ − ⎜1 + ⎟ + R sinh ⎥ ˆz<br />
. (3)<br />
2<br />
2ε ⎣ 4 2 ⎝ 4R ⎠<br />
2R<br />
⎦<br />
0<br />
Dal risultato finale (3), si d<strong>ed</strong>ucono le due geometrie estreme seguenti:<br />
se L ≫ 2R<br />
(~ filo sottile), allora, si ha che<br />
2<br />
βqR<br />
ln ( L R)<br />
F ( 0)<br />
≈ −<br />
ˆz<br />
;<br />
2ε<br />
2<br />
βqL<br />
se L ≪ 2R<br />
(~ disco), vale, invece, l’approssimazione F( 0)<br />
≈ − ˆz<br />
.<br />
8ε<br />
Soluzione 2-21<br />
(a) Dalla definizione di momento di dipolo elettrico, p : = ql<br />
, con | l | ≪ | r − r ′ | , si ha<br />
F = − q E ( r) + q E ( r + l ) . (4)<br />
ext ext<br />
L’espansione vettoriale in serie di Taylor, arrestata al 1.o ordine nel limite | l | → 0 , fornisce<br />
l’approssimazione<br />
E ( r + l) ≈ E ( r) + ( l ⋅ ∇∇∇∇ ) E ( r)<br />
.<br />
ext ext ext<br />
0<br />
0<br />
,
Quindi, si scrive<br />
ext ( ) q ≈ − F E r ext q<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 22<br />
( ) + E r + q( l ⋅ ⋅∇∇ ∇∇ ) E ext ( r) ≡ ( ql<br />
⋅ ⋅∇∇ ∇∇ ) E ext ( r) ≡ ( p ⋅ ⋅∇∇<br />
∇∇<br />
) E ext ( r)<br />
.<br />
(b) Tenuto conto dei bracci diversi delle forze che compongono F nell’Eq. (4) e trascurando i<br />
termini di ordine superiore al 1.o, si ha, per la coppia torcente di dipolo elettrico,<br />
ττττ = − qr × E ( r) + q(<br />
r + l) × E ( r + l)<br />
ext ext<br />
≈ − qr × E ( r) + q(<br />
r + l) × [ E ( r) + ( l ⋅ ∇∇∇∇ ) E ( r)]<br />
q = − ×<br />
ext ext ext<br />
ext ( ) r E r ext q + ×<br />
≈ r × [( p ⋅ ∇∇∇∇ ) E ( r)] + p × E ( r)<br />
.<br />
Soluzione 2-22<br />
( ) r E r + qr × ( l ⋅ ⋅∇∇ ∇∇ ) E ext ( r) + ql × E ext ( r) + ql<br />
× [( l ⋅<br />
⋅∇<br />
∇∇<br />
∇ ) E ext ( r)]<br />
<br />
ext ext<br />
Le cariche elettriche saranno distinte dall’indice discreto k secondo la disposizione crescente<br />
sull’asse X 3 ( ≡ Z ) delle coordinate rispettive: { q k}<br />
≡ { q 1, q 2, q 3} ≡ { q, −2<br />
q, q}<br />
.<br />
Si osserva che<br />
il momento di monopolo del sistema delle cariche è<br />
∫<br />
Q ≡ ρ ( r ′ ) dv′ ↦ q k = 0 ;<br />
V<br />
3<br />
∑<br />
k = 1<br />
il momento di dipolo del sistema delle cariche è ( xˆ ≡ ˆz<br />
)<br />
3<br />
= o(<br />
l )<br />
∫ ∫<br />
3<br />
∑ k k<br />
3 0 3 0<br />
V V<br />
k = 1<br />
p = r′ ρ ( r′ ) dv′ ≡ r′ dQ′ ↦ r′ q = + q( − l xˆ ) + ( − 2q)<br />
+ q( l x ˆ ) = ;<br />
il momento di quadrupolo del sistema delle cariche può essere costruito come segue:<br />
Q<br />
2 2 2 2 2<br />
∫ ( δ ) ρ ( r ) ∫ ( )<br />
= 3x′ − r′ ′ dv′ ≡ 2x′ − x′ −x<br />
′ dQ′<br />
↦<br />
11 1 11 1 2 3<br />
V V<br />
( ′ 3 )<br />
x′ , k<br />
2<br />
↦ ∑<br />
k =<br />
2 1<br />
2<br />
− x′ 2,<br />
k<br />
3<br />
1<br />
2 2 2 2 2<br />
− x , k q k = − ( − l) q + ( − 0 ) ( − 2q) − l q = − 2 l q ;<br />
2 2 2 2 2<br />
∫ ( δ ) ρ ( ) ∫ ( )<br />
Q = 3x′ − r′ r ′ dv′ ≡ 2x′ − x′ −x<br />
′ dQ′<br />
↦<br />
22 2 22 2 1 3<br />
V V<br />
( ′ 3 )<br />
x′ , k<br />
2<br />
↦ ∑<br />
k =<br />
2 2<br />
2<br />
− x′ 1,<br />
k<br />
3<br />
1<br />
2 2 2 2 2<br />
− x , k q k = − ( − l) q + ( − 0 ) ( − 2q) − l q = − 2 l q ;<br />
2 2 2 2 2<br />
∫ ( δ ) ρ ( ) ∫ ( )<br />
Q = 3x′ − r′ r ′ dv′ ≡ 2x′ − x′ −x<br />
′ dQ′<br />
↦<br />
33 3 33 3 1 2<br />
V V<br />
( ) k ( ) ( )<br />
↦ ∑<br />
k =<br />
2 2<br />
2x′<br />
, k − x′<br />
3 1,<br />
k<br />
2<br />
− x′ 2,<br />
k<br />
3<br />
1<br />
∫ ∫<br />
2 2 2 2<br />
q = 2 − l q + 2⋅ 0 ⋅ − 2q + 2l q = 4 l q ;<br />
2<br />
Q ≡ = x′ x′ 12 Q 21 ( 3 1 2 − δ 12 r′ ) ρ ( r′ ) dv′ ≡ 3 x′ x′ dQ′ x′ , kx′ 1 2 ↦ 3 1 2,<br />
k q k = 0<br />
V V<br />
∑<br />
k =<br />
3<br />
1
perché , k , k<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 23<br />
x′ ≡ x′<br />
1 2 = 0 , ∀ k . Questo basta per concludere che risulta, analogamente,<br />
Q13 ≡ Q 31 ≡ Q 23 ≡ Q 32 = 0 .<br />
La simmetria assiale della disposizione delle cariche si manifesta attraverso gli elementi del<br />
tensore di quadrupolo elettrico, che risulta anche diagonale,<br />
2<br />
⎛ −2l q 0 0 ⎞ ⎛ −1<br />
0 0 ⎞<br />
⎜ 2 ⎟ 2 ⎜ ⎟<br />
Q ≡ ⎜ 0 −2l q 0 ⎟ ≡ 2l q<br />
⎜<br />
0 −1<br />
0<br />
⎟<br />
.<br />
⎜ 2<br />
l q ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 0 4 ⎠ ⎝ 0 0 2 ⎠<br />
La forma approssimata del potenziale elettrostatico in un punto ‘sufficientemente’ lontano dalla<br />
distribuzione delle cariche, appare dominata dal termine quadrupolare, risultando nulli i termini di<br />
monopolo e di dipolo. Quindi,<br />
1 1 x x 1 x Q + x Q + x Q<br />
Φ ( r)<br />
≈ ≡<br />
4π ε 2 4π ε 2<br />
3 3<br />
2 2 2<br />
i j<br />
1 11 2 22 3 33<br />
∑ ∑ Q 5 ij<br />
5<br />
0 i = 1 j = 1 r 0 r<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
q l ( −x 1 − x 2 + 2x 3 ) q l ( 3x<br />
3 −r<br />
)<br />
= ≡<br />
.<br />
5 5<br />
4π ε r 4π<br />
ε r<br />
0 0<br />
Riconoscendo che x ≡ r cosθ<br />
, si può proseguire nelle trasformazioni algebriche scrivendo<br />
3<br />
2 2<br />
ql 3( cosθ<br />
) − 1<br />
Φ ( r ) ≈<br />
,<br />
3<br />
4π<br />
ε r<br />
0<br />
che è il risultato in rappresentazione sferica ottenuto per lo stesso problema in AF2, p. 479-480,<br />
EXAMPLE 14.13.<br />
Soluzione 2-26<br />
La sorgente statica puntiforme p è assegnata nell’origine del sistema di riferimento ( r ′ ≡ 0 ).<br />
Il campo elettrico prodotto dal dipolo puntiforme è dato, in r ( r ≫ l ) , da<br />
⎛ ∂ ∂ ∂<br />
( ) Φ ( ) ˆ ˆ ˆ<br />
⎞ ⎛ 1 p ⋅ r ⎞<br />
E r ≡ − ∇∇∇∇ r = − ⎜ x + y + z<br />
∂x ∂y ∂z<br />
⎟ ⎜ 3<br />
π ε r<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ 4 0 ⎠<br />
1 ⎛ ∂ ∂ ∂ p xx pyy p zz<br />
ˆ ˆ ˆ<br />
⎞ + +<br />
= −<br />
π ε<br />
⎜ x + y + z<br />
x y z<br />
⎟<br />
.<br />
2 2 2 3 2<br />
4 0 ⎝ ∂ ∂ ∂ ⎠ ( x + y + z )<br />
È sufficiente calcolare una sola delle derivate parziali, determinando le altre due per simmetria<br />
cartesiana, i.e., con una permutazione ciclica delle coordinate.<br />
Pertanto,<br />
2 2 2<br />
∂ ⎡p xx + pyy + p zz ⎤ p x ( x + y + z ) − 3(<br />
p xx + pyy + p zz)<br />
x<br />
⎢ =<br />
2 2 2 3 2 ⎥<br />
2 2 2 5 2<br />
∂ x ⎣ ( x + y + z ) ⎦<br />
( x + y + z )<br />
=<br />
2<br />
pxr − 3(<br />
p ⋅ r)<br />
x<br />
5<br />
r<br />
≡ −4π<br />
ε 0 Ex<br />
( r)<br />
,
2 2 2<br />
∂ ⎡p xx + pyy + p zz ⎤ py ( x + y + z ) − 3(<br />
pxx + pyy + p zz)<br />
y<br />
⎢ =<br />
2 2 2 3 2 ⎥<br />
2 2 2 5 2<br />
∂ y ⎣ ( x + y + z ) ⎦<br />
( x + y + z )<br />
=<br />
2<br />
pyr − 3(<br />
p ⋅ r)<br />
y<br />
5<br />
r<br />
≡ −4π<br />
ε 0 Ey<br />
( r)<br />
,<br />
∂ ⎡p xx + pyy + pzz ⎤<br />
⎢ =<br />
2 2 2 3 2 ⎥<br />
∂ z ⎣ ( x + y + z ) ⎦<br />
2 2 2<br />
pz ( x + y + z ) − 3(<br />
pxx + pyy + p zz)<br />
z<br />
2 2 2 5 2<br />
( x + y + z )<br />
=<br />
2<br />
pzr − 3(<br />
p ⋅ r)<br />
z<br />
5<br />
r<br />
≡ −4π<br />
ε 0 Ez<br />
( r)<br />
.<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 24<br />
La sovrapposizione delle componenti <strong>vettoriali</strong> conduce al risultato generale richiesto,<br />
2<br />
3(<br />
p ⋅ r) r − r p<br />
E( r)<br />
=<br />
. 5<br />
4π<br />
ε r<br />
La scelta di orientazione equiversa di p con ˆz , i.e., con p ≡ pˆz ∧ p > 0 , indica chiaramente che<br />
la soluzione del problema, rappresentata in coordinate sferiche, possi<strong>ed</strong>e simmetria azimutale, i.e.,<br />
è indipendente dalla coordinata angolare ϕ . Allora, detto θ l’angolo polare corrispondente al<br />
punto-campo r e ricordando che ˆz ≡ rˆ cosθ − ˆ θθθθ sinθ<br />
, si scrive<br />
2<br />
3( pr cosθ ) r rˆ − r pˆz p[<br />
3rˆ<br />
cosθ − ( rˆ<br />
cosθ − ˆ θθθθ sinθ<br />
)]<br />
E( r)<br />
≡ =<br />
5 3<br />
4π ε r 4π<br />
ε r<br />
0 0<br />
p<br />
= ( 2cosθ<br />
rˆ + sinθ<br />
ˆ θθθθ ) .<br />
3<br />
4π<br />
ε r<br />
0<br />
Tale forma sferica di E( r ) è quella ottenuta, con un proc<strong>ed</strong>imento alternativo, in AF2, p. 472.<br />
0
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 25<br />
ELETTROMAGNETISMO - Unità 2<br />
Test A<br />
1. Scrivi le espressioni formali complete del campo elettrostatico e del potenziale ad esso<br />
associato, definendo tutte le grandezze fisiche che compaiono in entrambe le espressioni.<br />
■<br />
2. Usando un’equazione esplicativa dove appropriato, definisci o illustra i termini seguenti in<br />
modo sintetico:<br />
momento di dipolo elettrico, p .<br />
momento di quadrupolo elettrico, Q .<br />
3. Tenendo presente la configurazione geometrica del dipolo elettrico (e.g., v. RMC, p. 38, Fig.<br />
2-9), determina un’espressione approssimata del potenziale elettrostatico generato dal dipolo<br />
in un punto-campo r ‘sufficientemente’ distante da esso (i.e., con r ≫ l ).<br />
■<br />
4. Determina i momenti di monopolo, di dipolo e di quadrupolo elettrici generati dalle<br />
distribuzioni ordinate di cariche seguenti:<br />
{ q } = ≡ { q, −q, q, −q}<br />
, essendo le cariche posizionate, rispettivamente, nei punti<br />
( l; l; 0 ) , ( −l; l;<br />
0 ) , ( −l; −l; 0 ) , ( l; −l; 0 ) ;<br />
4.1 k k 1, 2, 3, 4<br />
{ q } = 1 2 3 4 5 ≡ { −q, −q, −q, −q,<br />
4 q}<br />
, essendo le cariche posizionate, rispettivamente,<br />
nei punti ( 0; l;<br />
0 ) , ( 0; 0 ; l)<br />
, ( 0; −l;<br />
0 ) , ( 0; 0 ; −l<br />
) , ( 0; 0; 0 ) .<br />
4.2 k k , , , ,<br />
Quindi, per entrambi i casi, scrivi un’espressione, approssimata all’ordine quadrupolare, del<br />
potenziale elettrostatico generato dalla distribuzione delle cariche e misurato in un puntocampo<br />
‘sufficientemente’ distante da esse.<br />
■■■<br />
■
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 26<br />
ELETTROMAGNETISMO - Unità 2<br />
Test B<br />
1. Usando un’equazione esplicativa dove appropriato, definisci o illustra i termini seguenti in<br />
modo sintetico:<br />
densità lineare di carica,<br />
densità superficiale di carica,<br />
densità di volume di carica.<br />
2. Ricava la forma differenziale della legge di Gauss-Maxwell per l’Elettrostatica da quella<br />
integrale, definendo tutte le grandezze fisiche che compaiono in entrambe le forme.<br />
■<br />
3. Un foro circolare di raggio R è stato ricavato in una lamina piana infinitamente estesa. Su<br />
questa, è distribuita una carica elettrica di densità σ = κ ρ , dove κ è una costante mentre<br />
la coordinata radiale ρ è riferita al centro del foro.<br />
Lungo l’asse del foro, Z , tra le posizioni z 0 e z 0 + h è teso un filo elettricamente carico,<br />
portatore di una densità lineare uniforme di carica λ .<br />
Calcola un’espressione della forza elettrica totale esercitata sul filo dalla carica distribuita<br />
sulla lamina.<br />
■<br />
4. Determina i momenti di monopolo, di dipolo e di quadrupolo elettrostatici generati dalle<br />
distribuzioni ordinate di cariche seguenti:<br />
{ q } = 1 2 3 4 5 ≡ { −q, q, 2 q, q, −q}<br />
, essendo le cariche posizionate, rispettivamente, nei<br />
punti ( −2l ; 0; 0 ) , ( −l; 0; 0 ) , ( 0; 0; 0 ) , ( l; 0; 0 ) , ( 2l; 0; 0 ) ;<br />
4.1 k k , , , ,<br />
+<br />
4.2 nella molecola di ammoniaca, NH 3 , in regime stazionario, i tre ioni H ≡ e sono<br />
vincolati ai vertici di un triangolo equilatero, e.g., nel piano X 1 × X 2 , mentre lo ione<br />
3−<br />
N ≡ − 3 e , passando per il centro di massa degli ioni H + ( ≡ l’origine del sistema di<br />
riferimento), oscilla lungo l’asse X 3 tra due posizioni simmetriche estreme generando<br />
configurazioni tetra<strong>ed</strong>riche di cariche.<br />
Sia { ek } k = 1, 2, 3, 4 ≡ { e, e, e, − 3 e}<br />
la distribuzione degli ioni vincolati, ordinatamente, ai<br />
siti ( −l 2; −l<br />
3 6; 0 ) , ( l 2; −l<br />
3 6; 0 ) , ( 0; l 3 3; 0 ) , ( 0; 0 ; s)<br />
, essendo s ≡ s ( t)<br />
=<br />
= lκ sinωt<br />
e κ è una costante sperimentale opportuna.<br />
Per ciascuno dei casi 3.1 e 3.2, scrivi un’espressione, approssimata all’ordine quadrupolare,<br />
del potenziale elettrostatico generato dalla distribuzione delle cariche e misurato in un<br />
punto-campo ‘sufficientemente’ distante da esse.<br />
■■■<br />
■
Soluzione A-1<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 27<br />
ELETTROMAGNETISMO - Unità 2<br />
Test A - Soluzioni<br />
Il campo elettrostatico, nella sua forma più generale (cfr/c Eq. (2-8) in RMC), è dato da<br />
1 r − rk 1 ⌠ r − r′<br />
E( r) = ∑ + ⎮ ρ(<br />
r′<br />
) dv′<br />
+<br />
3 3<br />
4π ε | r − r | 4π<br />
ε ⌡ | r − r′<br />
|<br />
0 k k<br />
0 V<br />
1 ⌠ r − r′ 1 − ′<br />
σ ( ′ ) da′ ⌠ r r<br />
+ ⎮ r + ⎮ λ(<br />
r′<br />
) ds′<br />
.<br />
3 3<br />
4π ε ⌡ | r − r′ | 4π<br />
ε ⌡ | r − r′<br />
|<br />
0 S 0 L<br />
Rispetto all’Eq. (2-8), è stato aggiunto un integrale di linea relativo a distribuzioni generalmente<br />
continue di cariche, con densità λ ( r ′ ) , disposte in fili.<br />
Analogamente, nell’Eq. (2-15) al potenziale elettrostatico, può essere aggiunto l’integrale di linea<br />
1 ⌠ λ(<br />
r′<br />
)<br />
⎮ ds′<br />
.<br />
4π<br />
ε ⌡ | r − r′<br />
|<br />
La carica elettrica infinitesima di linea è, evidentemente,<br />
0<br />
L<br />
dQ′ = λ(<br />
r ′ ) ds′<br />
,<br />
−1<br />
essendo [ λ]<br />
= [carica] ⋅[lunghezza]<br />
.<br />
Nota che le dimensioni fisiche di una densità dipendono dallo spazio della distribuzione. Infatti,<br />
[ ρ]<br />
= [carica] ⋅[lunghezza]<br />
−3<br />
−2<br />
e [ σ ] = [carica] ⋅[lunghezza]<br />
.<br />
Pertanto, non essendo omogenee, ρ , σ e λ non possono essere sommate o sottratte tra loro!<br />
Nelle varie equazioni, le coordinate con apice ( r ′ , dv′ , ds′ , etc.) indicano le posizioni o le regioni<br />
occupate dalle cariche-sorgente. Le coordinate senza apice ( r , z , x 2 , etc.) si riferiscono al punto<br />
di osservazione, o punto-campo, dove il campo viene rivelato e misurato dall’osservatore.<br />
Soluzione A-2<br />
V<strong>ed</strong>i RMC, Eq. (2-35) e (2-52), et passim. V<strong>ed</strong>i anche i dettagli sviluppati e discussi inizialmente<br />
in questa Unità di studio.<br />
Soluzione A-3<br />
V<strong>ed</strong>i RMC, Eq. (2-38) e (2-39).<br />
Soluzione A-4<br />
4.1 Per il sistema delle cariche-sorgente specificato,
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 28<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
il momento di monopolo è , semplicemente, Q ≡ q k = 0 ;<br />
il momento di dipolo risulta<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
p = r′ q = ( l xˆ + l xˆ + 0xˆ ) q + ( − l xˆ + l xˆ + 0xˆ )( − q) + ( −l xˆ − l xˆ + 0x<br />
ˆ ) q +<br />
k k<br />
1 2 3 1 2 3 1 2 3<br />
+ ( l xˆ − l xˆ + 0x<br />
ˆ )( − q)<br />
= 0 ;<br />
1 2 3<br />
il momento di quadrupolo si determina calcolando gli elementi del tensore Q :<br />
11 = ∑<br />
k =<br />
2 2 2<br />
2x′<br />
, k − x′ , k − x′<br />
1 2 3,<br />
k<br />
4<br />
1<br />
2 2 2 2 2 2<br />
Q ( ) q = ( 2l − l ) q + [ 2( −l ) − l ]( − q) + [ 2 ( −l ) − ( − l) ] q +<br />
22 = ∑<br />
k =<br />
2 2 2<br />
2x′<br />
, k − x′ , k − x′<br />
2 1 3,<br />
k<br />
4<br />
1<br />
k<br />
2 2<br />
+ [ 2l − ( −l ) ]( − q)<br />
= 0 ;<br />
2 2 2 2 2 2<br />
Q ( ) q = ( 2l − l ) q + [ 2l − ( −l ) ]( − q) + [ 2 ( −l ) − l ] q +<br />
k<br />
2 2<br />
+ [ 2( −l ) − l ]( − q)<br />
= 0 ;<br />
2<br />
Q 33 = ∑ ( 2x′<br />
3,<br />
k<br />
k =<br />
′ k ′ k ) k<br />
4<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2 2 2 2 2 2<br />
∑<br />
k =<br />
k k k<br />
4<br />
12 21<br />
1<br />
1 2<br />
− x , − x , q = ( −l − l ) q + [ − ( −l ) − l ]( − q) + [ − ( −l ) − ( − l) ] q +<br />
2 2<br />
+ [ −l − ( −l ) ]( − q)<br />
= 0 ;<br />
2<br />
Q ≡ Q = 3 x′ , x′ , q = 3[ llq + ( −l ) l( − q) + ( −l )( − l) q + l( − l) q] = 12l<br />
q ;<br />
x′ , k x′<br />
13 ≡ 31 = 3∑<br />
1 3,<br />
k<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
Q Q<br />
Q x′ , k x′<br />
23 ≡ Q 32 = 3∑<br />
2 3,<br />
k q k<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
q<br />
k<br />
⎫<br />
⎪ =<br />
⎬<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎭<br />
0 , perché , k<br />
x′ 3 = 0 ∀ k .<br />
Pertanto, il tensore di quadrupolo elettrostatico è rappresentabile come la matrice simmetrica<br />
2<br />
⎛ 0 12l q 0 ⎞ ⎛ 0 1 0 ⎞<br />
⎜ 2 ⎟ 2 ⎜ ⎟<br />
Q = ⎜ 12l q 0 0 ⎟ ≡ 12l q<br />
⎜<br />
1 0 0<br />
⎟<br />
.<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 0 0 ⎠ ⎝ 0 0 0 ⎠<br />
A ‘grande’ distanza dalla distribuzione delle cariche elettriche (i.e., r ≫ l ), il potenziale da esse<br />
generato è dominato dal termine quadrupolare, essendo nulli i contributi di monopolo e di dipolo.<br />
Quindi, vale l’approssimazione<br />
2<br />
1 x 1x 2Q12 + x 2x 1Q 21 3l<br />
q x 1x 2<br />
Φ ( r)<br />
≈ ≡<br />
4π ε 2r<br />
π ε ( x + x + x )<br />
con l’ultima espressione scritta in coordinate sferiche.<br />
5 2 2 2 5 2<br />
0 0 1 2 3<br />
4.2 Proc<strong>ed</strong>endo in modo analogo al caso prec<strong>ed</strong>ente, si trovano<br />
2 2<br />
3l q ( sinθ ) sin2ϕ<br />
≡<br />
,<br />
3<br />
2π<br />
ε r<br />
0
∑<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
il momento di monopolo, Q ≡ q k = 0 ;<br />
il momento di dipolo,<br />
∑<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
p = r′ q = ( 0xˆ + l xˆ + 0xˆ ) ( − q) + ( 0xˆ + 0xˆ<br />
+ l x ˆ )( − q)<br />
+<br />
k k<br />
1 2 3 1 2 3<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 29<br />
+ ( 0xˆ − l xˆ + 0xˆ )( − q) + ( 0xˆ + 0xˆ<br />
−l x ˆ )( − q)<br />
+ ;<br />
1 2 3 1 2 3<br />
+ ( 0xˆ + 0xˆ + 0x ˆ )( 4q)<br />
= 0 ;<br />
1 2 3<br />
il momento di quadrupolo, m<strong>ed</strong>iante la costruzione esplicita delle sue 9 componenti scalari,<br />
2<br />
Q 11 = ∑ ( 2x′<br />
1,<br />
k<br />
k =<br />
′ k ′ k ) k<br />
5<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3<br />
2 2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
− x , − x , q = ( −l − ) ( − q) + ( − − l ) ( − q)<br />
+<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
+ [ − ( −l ) − 0 ]( − q) + [ − 0 − ( −l ) ]( − q) + ( − 0 − 0 ) ( 4q) = 4 l q ;<br />
2 2<br />
Q = x′ , k − x′<br />
22 ∑ ( 2 2 1,<br />
k<br />
k =<br />
′ k ) k<br />
5<br />
1<br />
2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2 0<br />
2<br />
− x , q = ( l − ) ( − q) + [ ⋅ − l ]( − q)<br />
+<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
+ [ 2( −l ) − 0 ]( − q) + [ 2⋅ 0 − ( −l ) ]( − q) + ( 2⋅ 0 − 0 ) ( 4q) = −2<br />
l q ;<br />
2 2<br />
Q = x′ , k − x′<br />
33 ∑ ( 2 3 1,<br />
k<br />
k =<br />
′ k ) k<br />
5<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2 0<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
− x , q = ( ⋅ − l )( − q) + ( l − ) ( − q)<br />
+<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
+ [ 2⋅ 0 − ( −l ) ]( − q) + [ 2( −l ) − 0 ]( − q) + ( 2⋅ 0 − 0 ) ( 4q) = −2<br />
l q ;<br />
Q12 ≡ Q 21 = 3∑<br />
x′ 1,<br />
k x′ , kq k = ≡ = x′<br />
, k<br />
k =<br />
5<br />
2 13 31 3∑<br />
1<br />
1<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
Q x′ , kx′ 23 ≡ Q 32 = 3∑<br />
2 3,<br />
k q k<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
=<br />
Q Q x′ 3,<br />
kq k =<br />
0 , perché , k , k<br />
x′ x′ 2 3 = 0 ∀ k .<br />
0 , perché , k<br />
x′ 1 = 0 ∀ k ;<br />
Anche qui, il tensore di quadrupolo elettrostatico è rappresentabile come matrice diagonale,<br />
2<br />
⎛ 4l q 0 0 ⎞ ⎛ 2 0 0 ⎞<br />
⎜ 2 ⎟ 2 ⎜ ⎟<br />
Q = ⎜ 0 −2l q 0 ⎟ ≡ 2l q<br />
⎜<br />
0 −1<br />
0<br />
⎟<br />
.<br />
⎜ 2<br />
− l q ⎟ ⎜ − ⎟<br />
⎝ 0 0 2 ⎠ ⎝ 0 0 1 ⎠<br />
A ‘grande’ distanza dalla distribuzione delle cariche elettriche (i.e., r ≫ l ), il potenziale da esse<br />
generato è dominato dal termine quadrupolare, essendo nulli sia il contributo di monopolo che<br />
quello di dipolo. Quindi, vale l’approssimazione<br />
2<br />
1 x Q + x Q + x Q ql 2x<br />
− x − x<br />
Φ ( r)<br />
≈ =<br />
5 5<br />
4π ε 2r 4π<br />
ε r<br />
espressa anche in coordinate sferiche.<br />
2 2 2 2 2 2<br />
1 11 2 22 3 33 1 2 3<br />
0 0<br />
2 2 2<br />
2 2<br />
ql x 1 − r ql ( cosθ cosϕ<br />
) − 1<br />
= ≡<br />
,<br />
5 3<br />
4π ε r 4π<br />
ε r<br />
0 0<br />
■■■
Soluzione B-1<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 30<br />
ELETTROMAGNETISMO - Unità 2<br />
Test B - Soluzioni<br />
Analogamente alle Eq. (2-4), per σ ( r ′ ) , e (2-3), per ρ ( r ′ ) , la densità lineare di carica elettrica può<br />
essere definita come<br />
∆q(<br />
r′ ) dq(<br />
r′<br />
)<br />
λ(<br />
r′<br />
) : = lim ≡ ,<br />
∆s →0<br />
∆s(<br />
r′ ) ds(<br />
r′<br />
)<br />
essendo s ≡ s ( r ′ ) la coordinata naturale lungo la linea-sorgente L ≡ L r ′ .<br />
Soluzione B-2<br />
La legge di Gauss-Maxwell per l’Elettrostatica si scrive (nel sistema MKSA di unità di misura)<br />
Q 1<br />
E ⋅ nˆ da = ≡ ρ(<br />
r)<br />
dv ,<br />
ε ε<br />
∫ ∫<br />
S 0 0 V<br />
dove ρ( r ) è la densità volumetrica della carica totale Q , V è un volume di interesse fisico in cui<br />
−12<br />
2<br />
Q è contenuta, S ≡ ∂ V è la superficie di frontiera di V e ε 0 ≈ 8. 854 × 10 C/(N ⋅ m ) è la<br />
permittività del (-lo spazio) vuoto.<br />
Per il Teorema della divergenza, si ha l’uguaglianza<br />
∫ ∫<br />
E ⋅ ⋅ nˆ da = ∇∇∇∇ ⋅<br />
⋅ Edv<br />
,<br />
S V<br />
dalla quale, la legge di Gauss-Maxwell può essere riscritta nella forma completamente di volume<br />
∫ [ ∇∇∇∇ ⋅ E( r) − ρ( r)<br />
ε 0] dv = 0 .<br />
V<br />
Poiché quest’ultima equazione deve valere ∀ V finito (ammissibile), segue che la funzione<br />
integranda deve essere identicamente nulla, i.e., che vale la forma differenziale della legge di<br />
Gauss-Maxwell,<br />
Soluzione B-3<br />
∇∇∇∇ ⋅ E( r) = ρ( r)<br />
ε 0 .<br />
Con riferimento all’integrale di superficie nell’Eq. (2-8) in RMC, si costruiscono i termini<br />
r ≡ zˆz<br />
(z 0 , posizione, non distanza), r′ ≡ ρ′ ˆ ρρρρ = ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ′<br />
) ,<br />
r − r′ = zˆz − ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ′<br />
) ,<br />
3<br />
| r − r′ |<br />
2 2 2 3 2 2 2 3 2<br />
≡ [ z + ρ′ ( xˆ cosϕ ′ + ˆy<br />
sinϕ<br />
′ ) ] = ( ρ′<br />
+ z ) ,<br />
dQ′ ≡ σdS = κd ρ′ dϕ′<br />
.
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 31<br />
Pertanto, mantenendo z invariante vs. l’integrazione, si calcola il campo elettrostatico E ( z)<br />
:<br />
1 ⌠ r − r′<br />
κ ⌠ ⌠ ρ′ ( xˆ<br />
cosϕ<br />
′ + ˆy sinϕ′ ) − zˆz<br />
E(<br />
z) = ⎮ dQ′ = − dϕ′ dρ′<br />
3<br />
⎮<br />
4π ε ⌡S<br />
| − ′<br />
0 r r | 4π<br />
ε<br />
⎮ 2 2 3 2<br />
0 ⌡ ⌡<br />
( ρ′<br />
+ z )<br />
R<br />
2π<br />
+∞<br />
κz ⌠ ρ′ dρ′<br />
ˆ dϕ′<br />
⌠<br />
≡ z<br />
π ε<br />
⎮ ⎮<br />
,<br />
2 2 3 2<br />
4 ⌡ ⌡R<br />
( ρ′<br />
+ z )<br />
0 0<br />
R<br />
+∞<br />
2π<br />
0<br />
+∞<br />
poiché i termini integrandi goniometrici danno<br />
contributo nullo alla ϕ′ -integrazione,<br />
κz ˆ<br />
⌠ d ρ′<br />
= z ⎮<br />
, dopo una ϕ′ -integrazione ovvia.<br />
2 2 3 2<br />
2ε<br />
⌡ ( ρ′<br />
+ z )<br />
0<br />
Com’è da attendersi dalla simmetria del problema, il campo elettrostatico è totalmente assiale.<br />
____________________<br />
In generale, integrando per-parti, si calcola, con n ≥ 3.<br />
⌠ du<br />
In : = ⎮ 2 2 n 2<br />
⌡ ( u + z )<br />
u<br />
= 2 2 n 2<br />
( u + z )<br />
2<br />
+ nIn − nz I n + 2 , da cui si scrive, in modo iterativo,<br />
u<br />
In + 2 = 2 2 2 n 2<br />
nz ( u + z )<br />
n − 1<br />
+ I 2 n<br />
nz<br />
e, infine, con la traslazione indiciale n ↦ n − 2 ,<br />
____________________<br />
Pertanto, quando n ≡ 3 , risulta<br />
u n − 3<br />
I = + I .<br />
n 2 2 2 ( n − 2) 2 2 n − 2<br />
( n − 2) z ( u + z ) ( n − 2)<br />
z<br />
+∞<br />
κ ρ′ κ 1 R<br />
( z)<br />
ˆ ˆ<br />
⎡ ⎤<br />
E = z = z −<br />
ε z ( ρ z ) ε z ⎢<br />
1<br />
2 2 1 2 2 2 1 2<br />
′ + ( z + R ) ⎥<br />
.<br />
2 0 2 0 ⎣ ⎦<br />
ρ′=<br />
R<br />
Ora, la forza esercitata da E ( z)<br />
su una quantità infinitesima di carica lineare è data da<br />
d F ( z) = ( dQ) E( z) ≡ ( λdz)<br />
E ( z)<br />
.<br />
Quindi, la forza elettrica totale richiesta corrisponde all’integrale, generalizzato se z ( z + h)<br />
≤<br />
z + h<br />
0 0 0,<br />
0<br />
κ λ ⌠ 1 R<br />
( z) ˆ<br />
⎡ ⎤<br />
F = z dz<br />
ε<br />
⎮ −<br />
z ⎢<br />
1 2 2 1 2<br />
( z + R ) ⎥<br />
che, con la sostituzione z : = 1 w di variabile di<br />
2 0 ⌡z<br />
⎣ ⎦<br />
0<br />
integrazione nel secondo addendo integrando, porta al risultato:<br />
κ λ<br />
2 2 1 2<br />
F ( z) = ˆz ln[<br />
R + ( z + R ) ]<br />
2ε<br />
0<br />
z 0 + h<br />
z 0<br />
2 2 1 2<br />
κ λ R + [( z 0 + h) + R ] κ λ R R<br />
ˆ ln ˆ<br />
⎡ −1 −1<br />
⎤<br />
= z ≡ z sinh − sinh + ln + h z<br />
ε R + ( z + R ) ε ⎢<br />
1<br />
2 2 1 2<br />
0<br />
| z + h | | z |<br />
⎥<br />
.<br />
2 0 0 2 0 ⎣ 0 0<br />
⎦<br />
La rappresentazione di F ( z)<br />
in termini di funzioni sinh −1 vale solo se z 0( z 0 + h)<br />
≠ 0 .
Soluzione B-4<br />
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 32<br />
4.1 Per la distribuzione statica delle cariche-sorgente assegnata, si ha che<br />
∑<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
il momento di monopolo è Q ≡ q k = 2 q ;<br />
il momento di dipolo risulta<br />
5<br />
p = ∑ r′ ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ˆ<br />
kq k = − 2l x1 −q − l x1q + 0 2q + l x1q + 2l<br />
x 1(<br />
− q)<br />
= 0 ;<br />
k = 1<br />
un calcolo diretto dà i valori dei 9 elementi del tensore Q di quadrupolo elettrostatico:<br />
2 2 2<br />
( ) q k 2( 2l ) ( q) 2( l) q 2 0 ( 2 q)<br />
Q 11 = ∑<br />
k =<br />
2 2<br />
2x′<br />
, k − x′<br />
1 2,<br />
k<br />
2<br />
− x′ 3,<br />
k<br />
5<br />
1<br />
Q 22 = ∑<br />
k =<br />
2<br />
2x′<br />
2,<br />
k<br />
2 2<br />
− x′ , k − x′<br />
1 3,<br />
k<br />
5<br />
1<br />
= − − − + − + ⋅ +<br />
2 2 2<br />
+ 2l q + 2( 2l ) ( − q) = −12<br />
l q ;<br />
( ) k ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )<br />
Q 33 = ∑<br />
k =<br />
2<br />
2x′<br />
3,<br />
k<br />
2 2<br />
− x′ , k − x′<br />
1 2,<br />
k<br />
5<br />
1<br />
2 2 2 2 2 2<br />
q = − −2l −q − −l q − 0 2q − l q − 2l − q = 6 ql ;<br />
( ) k ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )<br />
x′ , k x′<br />
12 ≡ 21 = 3∑<br />
1 2,<br />
k<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
Q Q q k =<br />
x′ , k x′<br />
13 ≡ 31 = 3∑<br />
1 3,<br />
k<br />
k =<br />
5<br />
1<br />
Q Q q k =<br />
23 ≡ 32 = 3∑<br />
x′ 2,<br />
k<br />
k =<br />
x′ 3 k<br />
5<br />
1<br />
Q Q , k q<br />
2 2 2 2 2 2<br />
q = − − 2l −q − −l q − 0 2q − l q − 2l − q = 6 ql ;<br />
=<br />
0 , perché , k<br />
x′ 2 = 0 ∀ k ;<br />
0 , perché , k<br />
x′ 3 = 0 ∀ k ;<br />
0 , perché , k , k<br />
x′ x′ 2 ≡ 3 = 0 ∀ k .<br />
Dunque, per il sistema delle cariche, il tensore di quadrupolo elettrostatico risulta diagonale,<br />
2<br />
⎛ −12l q 0 0 ⎞ ⎛ −2<br />
0 0 ⎞<br />
⎜ 2 ⎟ 2 ⎜ ⎟<br />
Q = ⎜ 0 6l q 0 ⎟ ≡ 6l q<br />
⎜<br />
0 1 0<br />
⎟<br />
.<br />
⎜ 2<br />
l q ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 0 6 ⎠ ⎝ 0 0 1 ⎠<br />
A ‘grande’ distanza dalle cariche, esso resta la prima correzione non-nulla del termine dominante<br />
di monopolo, la cosiddetta carica <strong>net</strong>ta del sistema (excess charge), mancando qualsiasi effetto<br />
interm<strong>ed</strong>io di dipolo.<br />
Pertanto, quando sia r ≫ l , il potenziale generato dalla distribuzione data delle cariche-sorgente<br />
può essere approssimato alla forma ‘fine’, in coordinate cartesiane o sferiche,<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
1 ⎛ 2q x x x ⎞ q ⎡ l ( x x x ) ⎤<br />
1Q 11 + 2Q 22 + 3Q 33 2 3 − 2 1 + 2 + 3<br />
Φ ( r)<br />
≈ ⎜ + ⎟ = ⎢ +<br />
5 5 ⎥<br />
4π ε ⎝ r 2r ⎠ 4π ε ⎣r 2r<br />
⎦<br />
0 0<br />
2 2 2<br />
q ⎡ l ( r x ) ⎤<br />
2 2<br />
2 3 − 3 1 q ⎧2 3l [ 1 − 3(<br />
sinθ cosϕ<br />
) ] ⎫<br />
= ⎢ + ⎥ ≡ ⎨ +<br />
⎬ .<br />
5 3<br />
4π ε ⎣r r ⎦ 4π<br />
ε ⎩r r ⎭<br />
0 0
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 33<br />
4.2 Chiaramente, il momento di monopolo della molecola di NH 3 è nullo, Q ≡ ek<br />
= 0 ;<br />
il momento di dipolo, invece, varia periodicamente in ampiezza tra i valori −3 leκ e 3 leκ .<br />
Infatti, si ha<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
p = r′ ke k = ⎡ −(<br />
l 2)ˆ<br />
x 1 − ( l 3 6) x ˆ ⎤<br />
2 e + ⎡ ( l 2) x ˆ 1 − ( l 3 6) x ˆ ⎤<br />
2 e + ( l 3 6) x ˆ 2e<br />
+<br />
⎣ ⎦ ⎣ ⎦<br />
+ 3leκ sinωt xˆ = 3leκ<br />
sinωt<br />
xˆ ≡ p ( t)<br />
.<br />
3 3<br />
Comunque, il valore m<strong>ed</strong>io di p sul periodo T di oscillazione dello ione N − 3 è 0 poiché<br />
sinω t = 0 (moto in regime stazionario);<br />
T<br />
al solito, il momento di quadrupolo della molecola di NH 3 deve essere costruito elemento<br />
per elemento tensoriale:<br />
Q<br />
Q<br />
Q<br />
( )<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
11<br />
1<br />
1 2 3<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
= 2x′ , k − x′ , k − x′ , k e ⎡ k = ⎣( −l ) 2 − ( −l ) 12 − 0 ⎤⎦ e + ⎡⎣ l 2 − ( −l ) 12 − 0 ⎤⎦<br />
e +<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
( l ) e ( s )( e) l e[ κ ( sinωt)<br />
]<br />
+ 2⋅ 0 − 3 − 0 + 2⋅ 0 − 0 − − 3 = 1 2 + 3 ;<br />
( )<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
22<br />
1<br />
2 1 3<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
= 2x′ , k − x′ , k − x′ , k e ⎡ k = ⎣( −l ) 6 − ( −l ) 4 − 0 ⎤⎦ e + ⎡⎣ l 6 − ( −l ) 4 − 0 ⎤⎦<br />
e +<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
( l ) e ( s )( e) l e[ κ ( sinωt)<br />
]<br />
+ 2 3 − 0 − 0 + 2⋅ 0 − 0 − − 3 = 1 2 + 3 ;<br />
( )<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
33<br />
1<br />
3 1 2<br />
2 2 2 2 2 2<br />
= 2x′ , k − x′ , k − x′ , k e ⎡ k = ⎣2⋅ 0 − ( −l ) 4 − ( − l) 12⎤⎦<br />
e +<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
1<br />
( ) ( )<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
+ ⎡⎣ 2⋅ 0 − l 4 − ( − l) 12⎤⎦ e + 2⋅ 0 − 0 − l 3 e + 2⋅s − 0 − 0 ( − 3 e)<br />
2 2 2 2 2 2<br />
= − l e[ 1 + 6κ ( sinωt) ] ≡ − 2l e[ 1 2 + 3 κ ( sinωt)<br />
] ;<br />
∑<br />
k =<br />
′ , k ′ , k k<br />
4<br />
12 21<br />
1<br />
1 2<br />
( )<br />
2<br />
2<br />
Q ≡ Q = 3 x x e = 3 3 l e 12 − 3 l e 12 − 0 − 0 = 0;<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
13 31<br />
1<br />
1 3<br />
Q ≡ Q = 3 x′ , kx′ , ke k = 3( 0 + 0 + 0 + 0) = 0 ;<br />
∑<br />
k =<br />
4<br />
23 32<br />
1<br />
2 3<br />
Q ≡ Q = 3 x′ , kx′ , kek = 3( 0 + 0 + 0 + 0) = 0 .<br />
Il tensore di quadrupolo segue prontamente in forma diagonale,<br />
2 2 2<br />
⎛ l e[ 1 2 + 3κ ( sinωt)<br />
]<br />
0 0<br />
⎞<br />
⎜ 2 2 2<br />
⎟<br />
Q = ⎜ 0 l e[ 1 2 + 3κ ( sinωt)<br />
]<br />
0<br />
⎟<br />
⎜ 2 2 2<br />
− l e[ + κ ( sinωt)<br />
] ⎟<br />
⎝ 0 0 2 1 2 3<br />
⎠<br />
⎛ 1 0 0 ⎞<br />
2 2 2 ⎜ ⎟<br />
≡ l e[ 1 2 + 3κ ( sinωt)<br />
]<br />
⎜<br />
0 1 0<br />
⎟<br />
.<br />
⎜ − ⎟<br />
⎝ 0 0 2 ⎠<br />
Pertanto, il potenziale elettrostatico prodotto da una molecola stazionaria di NH 3 e misurato a
Guida allo studio autonomo in ELETTROMAGNETISMO – U 2 34<br />
‘grande’ distanza da essa è descritto, a ogni tempo t , dalla forma generale approssimata<br />
3 3<br />
1 ⎛ p ⋅ r 1 x ix j ⎞<br />
Φ ( r)<br />
≈ ⎜ + ∑ ∑ Q ij ⎟ =<br />
3 5<br />
4π ε 0 ⎝ r 2 i = 1 j = 1 r ⎠<br />
2 2 2<br />
1 ⎧3leκ x sinωt<br />
x x x ⎫<br />
3 1 + 2 − 2<br />
2 2 2<br />
3<br />
= ⎨ + l e[ 1 2 + 3κ<br />
( sinωt<br />
) ]<br />
⎬<br />
3 5<br />
4π ε ⎩ r 2r<br />
⎭<br />
0<br />
2 2<br />
le ⎧3κ x sinωt<br />
r x ⎫<br />
3 − 3<br />
2 2<br />
3<br />
= ⎨ + l [ 1 + 6κ<br />
( sinωt)<br />
] ⎬<br />
3 5<br />
4π ε ⎩ r 4r<br />
⎭<br />
0<br />
2<br />
le ⎧ 2 2 3( cosθ<br />
) − 1⎫<br />
≡ ⎨3κ cosθ sinωt − l [ 1 + 6κ<br />
( sinωt)<br />
]<br />
⎬ .<br />
2<br />
4π ε r ⎩ 4r<br />
⎭<br />
0<br />
Questa manifesta gli effetti sia di dipolo (dovuto agli scostamenti dello ione N − 3<br />
dal piano degli<br />
ioni H + ) sia di quadrupolo. Inoltre, è prev<strong>ed</strong>ibile che il valore m<strong>ed</strong>io di Φ ( r ) sul periodo T di<br />
oscillazione dello ione N − 3 dipenda solo dalla parte costante del termine quadrupolare, risultando<br />
2 2 2<br />
2 2<br />
l e r − 3x 3 l e 3( cosθ<br />
) − 1<br />
Φ ( r ) ≈ ≡ −<br />
.<br />
T<br />
5 3<br />
16π ε r 16π<br />
ε r<br />
0 0<br />
■■■