미분 연산자에 관한 몇 가지 항등식
∇⋅(∇×A)=0.
∇×(∇V)=0.
∇×(∇×A)=∇(∇⋅A)−∇2A. 단 ∇2A는 A의 벡터 라플라시안이다.
전기장 및 자기장을 바탕으로 기술한 Maxwell 방정식
SI 단위계를 사용하는 경우 Maxwell 방정식은 전기장 및 자기장을 바탕으로 아래와 같이 기술할 수 있다.
∇⋅E∇⋅B∇×E∇×B=ε0ρ,=0,=−∂t∂B,=μ0J+μ0ε0∂t∂E(1)(2)(3)(4).스칼라 퍼텐셜 및 벡터 퍼텐셜을 바탕으로 기술한 Maxwell 방정식
(2)로부터 ∇⋅B=0 (magnetostatic?)이므로, ∇×A=B인 3차원 벡터 A가 존재한다는 듯하다. 이를 벡터 퍼텐셜이라 한다.
또 (3)에 ∇×A=B를 대입하면
∇×E=−∂t∂(∇×A)=−∇×∂t∂A,
∇×(E+∂t∂A)=0임을 알 수 있다. 이때 E+∂A/∂t의 curl이 0이므로 −∇V=E+∂A/∂t인 스칼라 V가 존재한다는 듯하다. 이를 스칼라 퍼텐셜(전위)이라 한다. ∇×E=0 (electrostatic?)인 경우에는 특별히 −∇V=E가 됨을 알 수 있다.
스칼라 퍼텐셜 및 벡터 퍼텐셜의 정의로부터 아래 등식이 성립한다.
EB=−∇V−∂t∂A,=∇×A.(5)(6)이때 미분 연산자에 관한 항등식에 의하여
∇⋅B∇×E=∇⋅(∇×A)=0,=∇×(−∇V−∂t∂A)=−∇×∇V−∂t∂(∇×A)=−∂t∂B이므로 (2),(3)이 자연스럽게 성립한다. 또 (1),(4)에 (5),(6)을 대입하여 정리하면 각각 아래와 같은 식을 얻는다.
−∂t∂(∇⋅A)−∇2V=ρ/ε0,μ0ε0∂t2∂2A−∇2A+∇(∇⋅A+μ0ε0∂t∂V)=μ0J.이때 V와 A 간의 관계를
∇⋅A+μ0ε0∂t∂V=0 (Lorenz gauge condition)로 두면 위 2개 식은
μ0ε0∂t2∂2V−∇2V=ρ/ε0,μ0ε0∂t2∂2A−∇2A=μ0J로 간소화되는데, 위 두 식의 대칭성으로부터 이들을 하나의 식으로 표현할 수 있어 보인다.
전자기 퍼텐셜을 바탕으로 기술한 Maxwell 방정식
전자기 퍼텐셜(electromagnetic 4-potential) Aα 및 4-current Jα를 아래와 같이 정의하자.
AαJα=(V/c,A)=(V/c,Ax,Ay,Az),=(cρ,J)=(cρ,Jx,Jy,Jz).이때
A=(Ax,Ay,Az), J=(Jx,Jy,Jz)이다. 위 정의로부터 Maxwell 방정식은 아래 1개 방정식으로 요약될 수 있다.
□Aα=μ0Jα.c2=1/μ0ε0임에 주목하라. 이때 □는 d'Alembert 연산자로,
□=∂μ∂μ=c21∂t2∂2−∂x2∂2−∂y2∂2−∂z2∂2=c21∂t2∂2−∇2이다.
전자기 텐서
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참고자료
https://youtu.be/ljMKoTdm3g4
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