Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Elektromanyetik Teori I › Vektör Analizi · Diverjans ve Rotasyonel

Diverjans ve Rotasyonel: Kutu ve Çark Deneyi

Bir vektör alanının diverjansı, bir noktayı çevreleyen küçük bir yüzeyden çıkan net akının alana (3B'de hacme) oranının limitidir; rotasyoneli ise küçük bir eğri boyunca dolaşımın alana oranının limitidir:

$$\nabla\cdot\vec F = \lim_{A\to 0}\frac{1}{A}\oint_{\partial A}\vec F\cdot\hat n\,d\ell,\qquad (\nabla\times\vec F)_z = \lim_{A\to 0}\frac{1}{A}\oint_{\partial A}\vec F\cdot d\vec\ell .$$

Bu sayfada iki boyutlu alanlar için "kutu" (akı) ve "çark" (dolaşım) ile bu limitleri sayısal olarak hesaplayıp analitik türevlerle karşılaştırıyoruz. Sonlu bölgeler için aynı ölçümler diverjans teoremini ve Stokes teoremini verir:

$$\oint_{\partial S}\vec F\cdot\hat n\,d\ell = \iint_S \nabla\cdot\vec F\,dA,\qquad \oint_{\partial S}\vec F\cdot d\vec\ell = \iint_S (\nabla\times\vec F)_z\,dA .$$
Tekil noktalar ve Dirac deltası

İki boyutta $\hat r/r$ alanının diverjansı başlangıç noktası dışında her yerde sıfırdır, ama başlangıcı çevreleyen her eğriden çıkan akı $2\pi$'dir: $\nabla\cdot(\hat r/r) = 2\pi\,\delta^2(\vec r)$. Benzer biçimde girdap alanı $\hat\varphi/r$ için $(\nabla\times\vec F)_z = 2\pi\,\delta^2(\vec r)$ olur. (3B'deki karşılığı $\nabla\cdot(\hat r/r^2) = 4\pi\,\delta^3(\vec r)$.) Teoremler ancak delta katkısı da yüzey integraline eklendiğinde sağlanır.

Parametreler

Renk haritası
Boş yere tıklayınca taşınan

Kutuyu ve çarkı sürükleyerek taşıyın; boyutlarını sürgülerle değiştirin. Boyut küçüldükçe akı/alan ve dolaşım/alan oranlarının analitik değere yaklaşmasını izleyin.

vektör alanıkutu: dışa akıçark

Hesaplama

Bunu dene

1. "Düzgün kaynak (x, y)" alanını seçin. Kutuyu farklı yerlere taşıyın ve boyutunu değiştirin. Akı/alan oranı nerede ve hangi boyutta olursa olsun hep aynı mı?

Açıklama
$\nabla\cdot\vec F = \partial_x x + \partial_y y = 2$ her yerde sabittir. Diverjans teoremi gereği kutudan çıkan akı tam olarak $\Phi = 2A$ olur; örneğin yarı kenarı $0.5$ olan kutu için $A = 1$, $\Phi = 2.000$. Oran kutunun yerinden ve boyutundan bağımsızdır.

2. "Girdap φ̂/r" alanında çarkı başlangıç noktasını içermeyen bir yere, sonra başlangıcı içine alacak biçimde yerleştirin. Dolaşım nasıl değişiyor? Yarıçapı değiştirmek sonucu etkiliyor mu?

Açıklama
Başlangıç dışarıdayken $\Gamma = 0$ ve çark dönmez: alan dönüyor gibi görünse de rotasyoneli sıfırdır. Başlangıç içerideyken her yarıçap için $\Gamma = 2\pi \approx 6.283$ çıkar; oysa $\iint(\nabla\times\vec F)_z\,dA$ (delta hariç) sıfırdır. Aradaki $2\pi$ farkı $(\nabla\times\vec F)_z = 2\pi\,\delta^2(\vec r)$ katkısıdır.

3. "Kesme akışı (y, 0)" alanını seçin. Akım çizgileri düz olduğu hâlde çark dönüyor mu? Hangi yönde?

Açıklama
$(\nabla\times\vec F)_z = \partial_x F_y - \partial_y F_x = 0 - 1 = -1$: çark her yerde saat yönünde döner ve $\Gamma/A = -1.000$ ölçülür. Çarkın üst tarafı alt tarafından daha hızlı itildiği için döner; rotasyonel, akım çizgilerinin eğriliği değil, hızın enine değişimidir. $\nabla\cdot\vec F = 0$ olduğundan kutudan net akı da sıfırdır.

Elektromanyetik Teori I dersindeki diğer simülasyonlar