Autor Tema: Consulta respecto campos vectoriales en el libro lecciones de fisica de Feynman

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21 Diciembre, 2021, 02:12 pm
Respuesta #10

robinlambada

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Pues sí, no he leído con mucho cuidado, he visto que ahí acabas en una integral en 4D y pensaba que era lo mismo. Pero en esa cita la duda que tengo con esto es: ¿a qué llamas teorema de Gauss generalizado? No veo de dónde sale eso.



Yo diría que se puede usar el teorema de Gauss habitual. A partir de donde ha llegado robinlambdada:
\(  \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A}=-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{2} \)

Como estamos suponiendo que \[ \nabla \cdot \vec{J} = 0 \], tenemos que de hecho \[  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) =  \nabla^{\prime}\cdot \left(\frac{\vec{J}(2)}{r_{12}}\right) \]. Y ahora sí podemos pasar a una integral de superfície usando Gauss:
\(  \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A}=-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int_V  \nabla^{\prime}\cdot\left(\frac{ \vec{J}(2)}{r_{12}}\right) d V_{2} =-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}}\int_S\frac{ \vec{J}(2)}{r_{12}} \cdot d\vec{S}  \)
donde \[ S \] es el borde del volumen de integración \[ V \].

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Ahora la pregunta es, ¿esa última integral debería ser \[ 0 \] por motivos físicos? Si \[ \vec{J} \] es no nulo solamente en una región finita del espacio está claro que sí, pues siempre se puede extender el volumen de manera que en el borde \[ \vec{J} \] se anule. En otro caso quizás hay que hacer hipótesis como que \[ \vec{J} \] decrezca lo suficientemente rápido al irse a infinito, pero esto ya son especulaciones.

La integral debe ser cero porque la densidad de corriente se superficial en los conductores y \( \rightarrow{dS} \) es perpendicular a la superficie que limita a \( V_2 \), por tanto el producto escalar \( \vec{J}(2) \cdot d\vec{S}=0  \)
Quedaría demostrado que la divergencia del potencial vector  es cero (\( \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A} \))

La idea del libro es ver esto mismo pero sabiendo que \( \nabla '(\vec{J(r')})=0 \), es decir utilizando esta condición

Mi idea  es lo mismo pero pasando a una integral de dimensión mayor.

La he expresado en un post anterior
Añadido: Para aplicar el teorema de Gauss debemos tener un una superficie en \( \mathbb{R}^4 \) cerrada, podría ser la hipersuperficie ( 3 dimensiones) de una esfera de 4 dimensiones centrada en el punto donde evaluamos el campo en \( r=(x,y,z) \), que incluya el volumen  \( V_2 \) donde hay  la densidad de corriente J

Como fuera de las fuentes de corriente  \( V_2 \) la densidad de corriente es cero , la integral se limitaría al volumen \( V_2 \)

Entonces con esta hipersuperfice esférica, tenemos que \( \displaystyle\frac{\vec{r_{12}}}{r^3_{12}}=\nabla '\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \) es normal hipersuperfice esférica

A ver si lo aclaro mejor , o cometo algún error (disculpad sino soy muy riguroso)

Integro \( -\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{2}= -\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{hiper}=-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \nabla^{\prime}\cdot{}\vec{J}\,d^4\tau \)

Envejecer es como escalar una gran montaña: mientras se sube las fuerzas disminuyen, pero la mirada es más libre, la vista más amplia y serena.

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21 Diciembre, 2021, 02:35 pm
Respuesta #11

geómetracat

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La integral debe ser cero porque la densidad de corriente se superficial en los conductores y \( \rightarrow{dS} \) es perpendicular a la superficie que limita a \( V_2 \), por tanto el producto escalar \( \vec{J}(2) \cdot d\vec{S}=0  \)
Quedaría demostrado que la divergencia del potencial vector  es cero (\( \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A} \))
Mmm, pero esto debería ser válido igual aunque tengas corrientes que no sean en conductores, ¿no? Es decir, debería valer para cualquier distribución de corrientes siempre que sea estacionaria. El hecho de que sean corrientes en conductores es un caso muy particular (creo).

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La idea del libro es ver esto mismo pero sabiendo que \( \nabla '(\vec{J(r')})=0 \), es decir utilizando esta condición
Ya he usado la condición para llegar a esa integral de superfície. Si no la usas no creo que sea posible llegar ahí.

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La he expresado en un post anterior
Añadido: Para aplicar el teorema de Gauss debemos tener un una superficie en \( \mathbb{R}^4 \) cerrada, podría ser la hipersuperficie ( 3 dimensiones) de una esfera de 4 dimensiones centrada en el punto donde evaluamos el campo en \( r=(x,y,z) \), que incluya el volumen  \( V_2 \) donde hay  la densidad de corriente J

Como fuera de las fuentes de corriente  \( V_2 \) la densidad de corriente es cero , la integral se limitaría al volumen \( V_2 \)

Entonces con esta hipersuperfice esférica, tenemos que \( \displaystyle\frac{\vec{r_{12}}}{r^3_{12}}=\nabla '\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \) es normal hipersuperfice esférica

A ver si lo aclaro mejor , o cometo algún error (disculpad sino soy muy riguroso)

Integro \( -\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{2}= -\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \vec{J}(2)\cdot \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{hiper}=-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int  \nabla^{\prime}\cdot{}\vec{J}\,d^4\tau \)

Lo siento, pero la verdad es que no entiendo nada. ¿Podrías enunciar el teorema de Gauss en 4 dimensiones que usas? Porque si involucra cambiar una integral por una integral a su borde vas a tener el mismo problema que Samir (una región 3D del espacio no es borde de nada en 4D). Tampoco entiendo qué haces en la última igualdad, por qué el \[ \nabla' \] cambia de lado ni por qué el \[ \frac{1}{r_{12}} \] desaparece.
La ecuación más bonita de las matemáticas: \( d^2=0 \)

21 Diciembre, 2021, 02:37 pm
Respuesta #12

robinlambada

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Ahora que lo pienso mejor, es mas sencilla tu manera y esta implícito que suponemos que por hipótesis que \( \nabla '\cdot{} \vec{J}(x',y',z')=0 \)

Ojo que no por el mismo motivo mismo que \( \nabla \cdot{} \vec{J(x',y',z')}=0 \)  este es cero por que se deriva respecto a las variables no primadas \( (x,y,z) \).

Saludos.
 
Quizás con un dibujo se vea mejor.



P.D.: Estamos escribiendo al mismo tiempo, ahora reviso tu ultimo comentario, publicado antes que el mio.
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21 Diciembre, 2021, 05:18 pm
Respuesta #13

Richard R Richard

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Ahora que lo pienso mejor, es mas sencilla tu manera y esta implícito que suponemos que por hipótesis que \( \nabla '\cdot{} \vec{J}(x',y',z')=0 \)


por añadir otro punto de vista , Si mi memoria no me falla ,esa suposición vista de un modo mas divulgativo ,  implica que en todo el volumen de prueba(el recinto de la integral) no hay fuentes ni sumideros de cargas, además la densidad de carga es constante en el tiempo, es decir que  el flujo neto de cargas a través de la superficie que rodea a ese volumen de prueba es nulo, (Creo que se demuestra por Gauss no por Stokes), dicho de otro modo toda carga lo que entra tambien sale.


https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica_estacionaria




Creo  que se aplica Stokes a la circulación del campo magnético, en la ley de Ampere.
https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Amp%C3%A8re[/quote]
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

21 Diciembre, 2021, 06:38 pm
Respuesta #14

robinlambada

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La integral debe ser cero porque la densidad de corriente se superficial en los conductores y \( \rightarrow{dS} \) es perpendicular a la superficie que limita a \( V_2 \), por tanto el producto escalar \( \vec{J}(2) \cdot d\vec{S}=0  \)
Quedaría demostrado que la divergencia del potencial vector  es cero (\( \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A} \))

Mmm, pero esto debería ser válido igual aunque tengas corrientes que no sean en conductores, ¿no? Es decir, debería valer para cualquier distribución de corrientes siempre que sea estacionaria. El hecho de que sean corrientes en conductores es un caso muy particular (creo).

Bueno, en los no conductores no puedes garantizar que   \( \vec{J} \) sea perpendicular a \( \vec{dS} \) y por tanto no se tiene porque cumplir que  \( \vec{J} \cdot d\vec{S}=0  \)

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La idea del libro es ver esto mismo pero sabiendo que \( \nabla '(\vec{J(r')})=0 \), es decir utilizando esta condición
Ya he usado la condición para llegar a esa integral de superfície. Si no la usas no creo que sea posible llegar ahí.
Si, cierto, lo que pasa es que me parecía que usabas el operador que derivaba sobre las no primadas. En ambos casos la divergencia de la densidad de corriente es cero por diferentes motivos. Solo pretendía matizar.
Citar
Lo siento, pero la verdad es que no entiendo nada. ¿Podrías enunciar el teorema de Gauss en 4 dimensiones que usas? Porque si involucra cambiar una integral por una integral a su borde vas a tener el mismo problema que Samir (una región 3D del espacio no es borde de nada en 4D). Tampoco entiendo qué haces en la última igualdad, por qué el \[ \nabla' \] cambia de lado ni por qué el \[ \frac{1}{r_{12}} \] desaparece.

No he sido nada claro la verdad y es que principalmente me he basado en la intuición sin conocer en profundidad el teorema para más de 3 dimensiones.

Cierto que el factor \[ \frac{1}{r_{12}} \] es problemático

Este hecho lo tengo resuelto haciendo el gradiente y me quedaría 




\(  \displaystyle\frac{\widehat{e}_r}{r^2_{12}}=\nabla '\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \)

Con \( \left |{\widehat{e}_r}\right |=1 \) siendo el vector que va de el punto (2) ( centro de la hiper esfera) a un punto (1) de la densidad de corriente. ( y entiendo o creo entender que \( \widehat{e}_r \) debe ser ortogonal a la superficie de la hiper esfera.

Entonces Tendríamos \( \displaystyle\int  \dfrac{\vec{J}\cdot{}\widehat{e}_r}{r^2_{12}}dV\color {red}=\color {black}\displaystyle\int  \dfrac{\vec{J}}{r^2_{12}}\cdot{}\color {red}d\vec{V}\color {black} \)  y ahora se podría aplicar Gauss en 4 dimensiones si \( d\vec{V} \) tuviera sentido como vector normal a la superficie de una hiperesfera (pienso que lo que marque en rojo no tiene mucho sentido por que no esta definido claramente , creo que no se puede)

Pero por mucho que le doy vueltas y casi llego a una expresión donde se simplifica mucho, pienso que esta es la clave, parto creo como bien dices que un volumen en este caso \( V_2
 \) con coordenadas intrínsecas en \( \mathbb{R^3} \), es decir no como una superficie en 4 dimensiones, solo teniendo 3 variables pienso que no se puede considerar \( V_2  \)como superficie o parte de una superficie cerrada en \( \mathbb{R}^4 \) o al menos ahora no lo acabo de ver.

Saludos y gracias por las consideraciones matemáticas.
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21 Diciembre, 2021, 08:11 pm
Respuesta #15

robinlambada

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Me vuelvo a autocorregir, no es necesario, como bien indica geometracat, que se trate de corriente en conductores, la idea la ha dado el y no la he leído con detenimiento.

\(  \vec{\nabla}\cdot{}\vec{A}=-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \displaystyle\int_V  \nabla^{\prime}\cdot\left(\frac{ \vec{J}(2)}{r_{12}}\right) d V_{2} =-\dfrac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}}\int_S\frac{ \vec{J}(2)}{r_{12}} \cdot d\vec{S}  \)
donde \[ S \] es el borde del volumen de integración \[ V \].

Ahora la pregunta es, ¿esa última integral debería ser \[ 0 \] por motivos físicos? Si \[ \vec{J} \] es no nulo solamente en una región finita del espacio está claro que sí, pues siempre se puede extender el volumen de manera que en el borde \[ \vec{J} \] se anule. En otro caso quizás hay que hacer hipótesis como que \[ \vec{J} \] decrezca lo suficientemente rápido al irse a infinito, pero esto ya son especulaciones.

Si, en principio la corriente la entiendo como dentro de una región finita del espacio, por ello basta una superficie mayor que la abarque.

Este hecho viene de que por motivos matemáticos. A un potencial vectorial \( \vec{A} \) tal que proviene de  \( \vec{B}=\nabla\wedge\vec{A}  \) se le puede sumar un término como un gradiente de una función potencial que el campo \( \vec{B} \) no varia.

\( \vec{A'} =\vec{A}+\nabla \phi \) puesto que : \( \nabla\wedge\vec{A'} =\nabla\wedge\vec{A}+\cancelto{0}{\nabla\wedge \nabla \phi}=\vec{B} \)

Y este potencial escalar se puede buscar de tal manera que anule la divergencia de \( \vec{A'}  \)

Puesto que \( \nabla\cdot{}\vec{A'}=\nabla\cdot{}\vec{A}+\nabla ^2 \phi \) , si hacemos que \( \nabla ^2 \phi=-\nabla\cdot{}\vec{A}\rightarrow{}\nabla\cdot{}\vec{A'}=0 \)
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22 Diciembre, 2021, 02:24 am
Respuesta #16

Samir M.

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Hola.

Y hola robinlambada, me alegra también coincidir de nuevo contigo en el foro :) Mucho tiempo!

A ver respecto del post... Lo que yo había hecho fue esto: para una corriente filamental tendríamos que, aplicando el mismo desarrollo que en mi primer post:

 
\( \displaystyle \nabla \cdot \mathbf{A}=\nabla \cdot\left(\frac{\mu_{0}}{4 \pi} \oint_{C^{\prime}} \frac{I^{\prime} d \mathbf{s}^{\prime}}{R}\right)\underbrace{=}_{\text{ I' corriente estacionaria}}\frac{\mu_{0} I^{\prime}}{4 \pi} \oint_{C^{\prime}} \nabla \cdot\left(\frac{d \mathbf{s}^{\prime}}{R}\right) = -\frac{\mu_{0} I^{\prime}}{4 \pi} \oint_{C^{\prime}} \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{R}\right) \cdot d \mathbf{s}^{\prime}\underbrace{=}_{\text{stokes}}-\frac{\mu_{0} I^{\prime}}{4 \pi} \int_{S^{\prime}}\left[\nabla^{\prime} \times \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{R}\right)\right] \cdot d \mathbf{a}^{\prime} = 0  \)

Y generalicé ese resultado para distribuciones de densidades de corriente asumiendo que ésta se podía dividir en sus componentes escalares y aplicar el mismo resultado a cada una de sus componentes. Sí que es cierto que, como comenta geometracat, necesitas una 3-variedad sin borde, pero es lo que yo asumí, puesto que en alguna de las páginas anteriores vi que se evaluaban esas integrales sobre todo el espacio pero pensándolo bien no sé, no tiene mucho sentido porque esa integral se cumple también para volúmenes finitos. Así que un desarrollo alternativo sería este:

Reescribamos la integral dada como \( \displaystyle  -\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0} c^{2}} \int \boldsymbol{j}(2)  \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \cdot d V_{2} \) siguiendo los pasos de mi primer post. Me deshago de las constantes antes de la integral que molestan, y para el siguiente análisis no influyen en nada,  y reescribo la integral sin más como \( \displaystyle  \int \boldsymbol{j}(2)  \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \cdot d V_{2} \). Ahora, dado un abierto \( V_2 \subset \Bbb R^n \) (en este caso \( n=3 \) pero así queda la generalización para dimensiones superiores aunque ahora que lo pienso no sé qué significado tendría esto en física jeje) con frontera \( \Gamma=\partial V_2 \) entonces la integración por partes sobre \( \mathbf{F}  \cdot   \nabla u \) nos dice que

\( \displaystyle  \int_{V_2}\mathbf{F}  \cdot   \nabla u \space d V_2 =\int_{\Gamma} u \mathbf{F} \cdot \hat{\mathbf{n}} d \Gamma-\int_{V_2} u \nabla \cdot \mathbf{F} d V_2 \)

Identificando el volumen sobre el que se integra en la integral dada como \( V_2 \) e identificando \( u \to \frac{1}{r_{12}} \) y \( \mathbf{F} \to \boldsymbol{j}(2) \) tenemos que

\( \displaystyle  \int_{V_2} \boldsymbol{j}(2)  \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) d V_{2} =  \int _{\Gamma}\frac{\boldsymbol{j}(2)}{r_{12}} \cdot \hat{\mathbf{n}} d \Gamma - \int_{V_2} \frac{1}{r_{12}} \nabla \cdot \boldsymbol{j}(2)  d V_{2}  \)

Ahora bien, \(  \boldsymbol{j}(2) \) es una corriente estacionaria y como el volumen \( V_2 \) debe encerrar a todas las corrientes que generan el vector potencial \(  \boldsymbol{A} \), podemos hacer \( V_2 \) suficientemente grande (\( V_2 \to \infty) \) tal que la densidad de corriente no cruza la frontera \( \Gamma \), esto es, la densidad de corriente en la frontera de \( V_2 \), \( \Gamma \), es nula, luego la integral \( \displaystyle \int _{\Gamma}\frac{\boldsymbol{j}(2)}{r_{12}} \cdot \hat{\mathbf{n}} d \Gamma \) es cero. La otra integral también es cero pues \( \nabla \cdot \boldsymbol{j}(2) = 0  \) y esto es porque las componentes de \( \nabla \) que operan sobre \( \boldsymbol{j}(2) \) darán cero pues \( \boldsymbol{j}(2) \) depende de las componentes del vector \( \vec{r}\,' \) mientras que  \( \nabla \) depende de las componentes del vector \( \vec{r}_{12} \), y así \( \displaystyle  \int_{V_2} \boldsymbol{j}(2)  \nabla^{\prime}\left(\frac{1}{r_{12}}\right) \cdot d V_{2}  = 0 \) y \( \nabla \cdot  \boldsymbol{A} = 0 \)


Pd: Leyendo vuestros posts me he dado cuenta que en el fondo hemos hecho lo mismo (que en este post me refiero).


Saludos.
\[  e^{H_n}=\prod_{k=1}^n e^{1/k}\gt\prod_{k=1}^n\left(1+\frac{1}{k}\right)=n+1 \therefore H_n\gt\log(n+1) \]

22 Diciembre, 2021, 01:35 pm
Respuesta #17

robinlambada

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Hola, como el tema me parece muy interesante , para contextualizarlo  justificándolo además en cierto sentido y para que quede más clara y resumida la solución  he creado un post a tal efecto. Os dejo el enlace.

https://foro.rinconmatematico.com/index.php?topic=119237.msg479969#msg479969

He bloqueado este tema nuevo para que los comentarios se hagan en este hilo.

Ya me comentáis que parece y si hay algún error o matiz  importante a incluir al respecto

Saludos.
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