SuperNotes by yuri.rodrix

Notas de Yuri.Rodrix


Página tipo blog en el que voy a publicar mis notas de aprendizaje, en especial de temas como matemáticas, física y quizá algo de programación

Redes neuronales
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Magnetostática

Estudia los campos magnéticos generados por corrientes estacionarias. En este régimen no hay variación temporal del campo eléctrico, por lo que las únicas fuentes del campo magnético son las corrientes eléctricas.



Ecuaciones de Maxwell

Ley de Gauss

Establece que la divergencia del campo magnético es cero, lo que implica que no existen monopolos magnéticos.

∇⋅B⃗=0\Large \nabla \cdot \vec{B} = 0∮SB⃗⋅dS=0\Large \oint_{S} \vec{B}\cdot d\mathbf{S} = 0

Ley de Ampère

Relaciona el rotor del campo magnético con la densidad de corriente estacionaria, indicando que las corrientes producen líneas de campo cerrado.

∇×B⃗=μ J⃗\Large \nabla \times \vec{B} = \mu\,\vec{J}∮CB⃗⋅dℓ=μ I\Large \oint_{C} \vec{B}\cdot d\boldsymbol{\ell} = \mu\,I

Función de Green y su operador diferencial


Sea L(r)L(\mathbf{r}) un operador diferencial lineal. La función de Green G(r,r′)G(\mathbf{r},\mathbf{r'}) cumple

L(r⃗) G(r⃗−r′⃗)=δ(3)(r⃗−r′⃗)\Large L(\vec{r})\,\textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})} = \delta^{(3)}(\vec{r} - \vec{r'})

Multiplicando por una función x(r′)x(\mathbf{r'}) y usando la propiedad de la delta:

L(r⃗) [G(r⃗−r′⃗) x(r′⃗)]=δ(3)(r⃗−r′⃗) x(r′⃗)\Large L(\vec{r})\,\bigl[\textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})}\,x(\vec{r'})\bigr] = \delta^{(3)}(\vec{r} - \vec{r'})\,x(\vec{r'})

Integrando sobre el dominio Ω\Omega:

∫ΩL(r⃗) [G(r⃗−r′⃗) x(r′⃗)] dΩ=∫Ωδ(3)(r⃗−r′⃗) x(r′⃗) dΩ\Large \int_{\Omega} L(\vec{r})\,\bigl[\textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})}\,x(\vec{r'})\bigr]\,d\Omega = \int_{\Omega} \delta^{(3)}(\vec{r} - \vec{r'})\,x(\vec{r'})\,d\Omega

Por linealidad, esto da directamente la solución de Lϕ=xL\phi = x:

L(r⃗)[∫ΩG(r⃗−r′⃗) x(r′⃗) dΩ]=x(r⃗)\Large L(\vec{r}) \left[ \int_{\Omega} \textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})}\,x(\vec{r'})\,d\Omega \right] = x(\vec{r})

El potencial Vectorial Magnético


Como ∇⋅B⃗=0\nabla \cdot \vec{B} = 0, existe un campo vectorial A⃗\vec{A} tal que

B⃗=∇×A⃗\vec{B} = \nabla \times \vec{A}

De la ley de Ampère en forma diferencial para campo magnético:

∇×B⃗=μ J⃗\nabla \times \vec{B} = \mu \,\vec{J}∇×(∇×A⃗)=μ J⃗\nabla \times (\nabla \times \vec{A}) = \mu \,\vec{J}

Recordar

∇2 v⃗=∇(∇⋅v⃗)  −  ∇×(∇×v⃗)\large \nabla^2 \,\vec{v} = \nabla \bigl(\nabla \cdot \vec{v}\bigr) \;-\; \nabla \times \bigl(\nabla \times \vec{v}\bigr)

Aplicando la identidad vectorial sobre A⃗\vec{A}:

∇2 A⃗=∇(∇⋅A⃗)−∇×(∇×A⃗)\nabla^2 \,\vec{A} = \nabla ( \nabla \cdot \vec{A} ) - \nabla \times ( \nabla \times \vec{A} )∇2 A⃗=∇(∇⋅A⃗)−∇×(B⃗)\nabla^2 \,\vec{A} = \nabla ( \nabla \cdot \vec{A} ) - \nabla \times ( \vec{B} )∇2 A⃗=∇(∇⋅A⃗)−μ J⃗\nabla^2 \,\vec{A} = \nabla ( \nabla \cdot \vec{A} ) - \mu \,\vec{J}

Gauge de Coulomb

∇⋅A⃗=0\large \nabla \cdot \vec{A} = 0

Con esto, la identidad anterior se simplifica:

∇2 A⃗=∇(∇⋅A⃗)−μ J⃗\nabla^2 \,\vec{A} = \cancel{\nabla ( \nabla \cdot \vec{A} )} - \mu \,\vec{J}
∇2 A⃗=−μ J⃗\nabla^2 \,\vec{A} = - \mu \,\vec{J}


Resolviendo la ecuación de Poisson vectorial



∇2 A⃗=−μ J⃗\Huge \nabla^2 \,\vec{A} = - \mu \,\vec{J}
L(r⃗)y(r⃗)=x(r⃗)\Large L(\vec{r}) y(\vec{r}) = x(\vec{r})L(r⃗) G(r⃗−r′⃗)=δ(3)(r⃗−r′⃗)\Large L(\vec{r})\,\textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})} = \delta^{(3)}(\vec{r} - \vec{r'})y(r⃗)=[∫ΩG(r⃗−r′⃗) x(r′⃗)dΩ] \Large y(\vec{r})= \left[ \int_{\Omega}\textcolor{#ae58ff}{G(\vec{r}-\vec{r'})}\,x(\vec{r'}) d\Omega \right]\,
∇2 A⃗=−μ J⃗\Large \nabla^2 \,\vec{A} = - \mu \,\vec{J}∇2[−14π1∣r⃗−r′⃗∣]=δ(3)(r⃗−r′⃗)\Large \nabla^2 \textcolor{#ae58ff}{\left[ -\frac{1}{4\pi} \frac{1}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \right]} = \delta^{(3)}(\vec{r} - \vec{r'})A(r⃗)=[∫Ω[−14π1∣r⃗−r′⃗∣] (−μ J⃗)dΩ] \Large A(\vec{r})= \left[ \int_{\Omega} \textcolor{#ae58ff}{\left[ -\frac{1}{4\pi} \frac{1}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \right]} \, (- \mu \,\vec{J}) d\Omega \right]\,
A(r⃗)=μ4π∫ΩJ⃗(r′⃗)∣r⃗−r′⃗∣ dΩ \Large A(\vec{r})= \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \frac{\vec{J}(\vec{r'})}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \, d\Omega \,


Campo Magnético resultante

B⃗=∇×A⃗\Huge \vec{B} = \nabla \times \vec{A}B⃗=∇×μ4π∫ΩJ⃗(r′⃗)∣r⃗−r′⃗∣ dΩ \Large \vec{B} = \nabla \times \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \frac{\vec{J}(\vec{r'})}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \, d\Omega \,B⃗=μ4π∫Ω∇×J⃗(r′⃗)∣r⃗−r′⃗∣ dV′ \Large \vec{B} = \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \nabla \times \frac{\vec{J}(\vec{r'})}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \, d V' \,

Recordar

∇×c⃗∣r⃗−r′⃗∣=c⃗×r⃗−r′⃗∣r⃗−r′⃗∣3\large \nabla \times \frac{\vec{c}}{| \vec{r}-\vec{r'} |} = \vec{c} \times \frac{\vec{r}-\vec{r'}}{| \vec{r}-\vec{r'} |^{3}}

B⃗=μ4π∫ΩJ⃗(r′⃗)×r⃗−r′⃗∣r⃗−r′⃗∣3 dV′ \Large \vec{B} = \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \vec{J}(\vec{r'}) \times \frac{\vec{r}-\vec{r'}}{| \vec{r}-\vec{r'} |^{3}} \, d V' \,


Potencial vectorial



A⃗(r⃗)=μ4π∫ΩJ⃗(r′⃗)∣r⃗−r′⃗∣ dΩ \Large \vec{A}(\vec{r})= \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \frac{\vec{J}(\vec{r'})}{| \vec{r}-\vec{r'} |} \, d\Omega \,
B⃗=∇×A⃗\large \vec{B} = \nabla \times \vec{A}
Fórmula para corrientes en hilo
A⃗(r⃗)=μ4π∮LIdℓ′⃗∣r⃗−r′⃗∣\Large \vec{A}(\vec{r}) = \frac{\mu }{4\pi} \oint_{L} \frac{I d\vec{ℓ'} }{| \vec{r}-\vec{r'} |}

Campo directo



B⃗(r⃗)=μ4π∫ΩJ⃗(r′⃗)×[r⃗−r′⃗]∣r⃗−r′⃗∣3 dV′ \Large \vec{B}(\vec{r}) = \frac{\mu }{4\pi} \int_{\Omega} \frac{\vec{J}(\vec{r'}) \times [\vec{r}-\vec{r'}]}{| \vec{r}-\vec{r'} |^{3}} \, d V' \,
Ley de Biot Savart


Fórmula para corrientes en hilo
B⃗(r⃗)=μ4π∮LIdℓ′⃗×[r⃗−r′⃗]∣r⃗−r′⃗∣3\Large \vec{B}(\vec{r}) = \frac{\mu }{4\pi} \oint_{L} \frac{I d\vec{ℓ'} \times[\vec{r}-\vec{r'}]}{| \vec{r}-\vec{r'} |^{3}}

Ejemplos


Hilo recto infinito I\Huge I

Potencial vectorial

A⃗(r⃗)  =  μ04π∮LI dℓ⃗′∣r⃗−r⃗′∣\displaystyle \vec{A}(\vec{r}) \;=\; \frac{\mu_0}{4\pi} \oint_{L} \frac{I\,d\vec{\ell}'}{\lvert \vec{r} - \vec{r}'\rvert}
Para r⃗=(r,0,0),  r⃗′=(0,0,z′),  dℓ⃗′=z^ dz′\text{Para } \vec{r} = (r,0,0),\; \vec{r}'=(0,0,z'),\; d\vec{\ell}'=\hat{z}\,dz'A⃗(r)=z^ μ0 I4π∫−∞+∞dz′r2+(z′)2=z^ μ0 I2πln⁡(r)  \displaystyle \vec{A}(r) = \hat{z}\,\frac{\mu_0\,I}{4\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dz'}{\sqrt{r^2 + (z')^2}} = \hat{z}\,\frac{\mu_0\,I}{2\pi} \ln(r) \;B⃗=∇×A⃗\Large \vec{B} = \nabla \times \vec{A}Bφ(r)=− ddr(μ0 I2πln⁡(r))=μ0 I2π r\displaystyle B_{\varphi}(r) = -\,\frac{d}{dr}\Bigl(\tfrac{\mu_0\,I}{2\pi}\ln(r)\Bigr) = \frac{\mu_0\,I}{2\pi\,r}

Campo directo (Biot–Savart)

B⃗(r⃗)=μ04π∮LI dℓ⃗′×(r⃗−r⃗′)∣r⃗−r⃗′∣3\displaystyle \vec{B}(\vec{r}) = \frac{\mu_0}{4\pi} \oint_{L} \frac{I\,d\vec{\ell}' \times (\vec{r} - \vec{r}')}{\lvert \vec{r} - \vec{r}'\rvert^3}
Paraˊmetros: r⃗=(r,0,0),  r⃗′=(0,0,z′),  dℓ⃗′=z^ dz′\text{Parámetros: } \vec{r}=(r,0,0),\; \vec{r}'=(0,0,z'),\; d\vec{\ell}'=\hat{z}\,dz'dℓ⃗′×(r⃗−r⃗′)=r dz′  y^,∣r⃗−r⃗′∣=r2+(z′)2\displaystyle d\vec{\ell}' \times (\vec{r}-\vec{r}') = r\,dz'\;\hat{y}, \quad \lvert \vec{r} - \vec{r}'\rvert = \sqrt{r^2 + (z')^2}B⃗(r)=y^ μ0 I4π∫−∞+∞r dz′[r2+(z′)2]3/2=φ^ μ0 I2π r\displaystyle \vec{B}(r) = \hat{y}\,\frac{\mu_0\,I}{4\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{r\,dz'}{\bigl[r^2 + (z')^2\bigr]^{3/2}} = \hat{\varphi}\,\frac{\mu_0\,I}{2\pi\,r}

Espira circular (radio R\Huge R, corriente I\Huge I )

Potencial vectorial

A⃗(r⃗)=μ04π∮LI dℓ⃗′∣r⃗−r⃗′∣\displaystyle \vec{A}(\vec{r}) = \frac{\mu_0}{4\pi} \oint_{L} \frac{I\,d\vec{\ell}'}{\lvert \vec{r} - \vec{r}'\rvert}
Para r⃗=(0,0,z),  r⃗′=(Rcos⁡φ′, Rsin⁡φ′, 0),  dℓ⃗′=R dφ′ φ^′\text{Para } \vec{r}=(0,0,z),\; \vec{r}'=(R\cos\varphi',\,R\sin\varphi',\,0),\; d\vec{\ell}'=R\,d\varphi'\,\hat{\varphi}'Aφ(0,0,z)=μ0 I4π∫02πR dφ′R2+z2=μ0 I R2 R2+z2\displaystyle A_{\varphi}(0,0,z) = \frac{\mu_0\,I}{4\pi} \int_{0}^{2\pi} \frac{R\,d\varphi'}{\sqrt{R^2 + z^2}} = \frac{\mu_0\,I\,R}{2\,\sqrt{R^2+z^2}}B⃗=∇×A⃗\Large \vec{B} = \nabla \times \vec{A}Bz(0,0,z)=1r∂∂r[r Aφ(r,z)]∣r=0=μ0 I R22 (R2+z2)3/2\displaystyle B_{z}(0,0,z) = \frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\bigl[r\,A_{\varphi}(r,z)\bigr]\Big|_{r=0} = \frac{\mu_0\,I\,R^2}{2\,(R^2 + z^2)^{3/2}}

Campo directo (Biot–Savart)

Aplicamos directamente la ley de Biot–Savart para obtener B\mathbf{B} en el eje de la espira.

B⃗(0,0,z)=μ0 I4π∫02πR dφ′  (φ^′×(− z z^))[R2+z2]3/2\displaystyle \vec{B}(0,0,z) = \frac{\mu_0\,I}{4\pi} \int_{0}^{2\pi} \frac{R\,d\varphi'\;\bigl(\hat{\varphi}' \times (-\,z\,\hat{z})\bigr)}{\bigl[R^2 + z^2\bigr]^{3/2}}

Recordar que φ^′×z^=r^′, r^′ \hat{\varphi}'\times\hat{z} = \hat{r}',\ \hat{r}' sproyecta sobre el eje para la componente BzB_z

Bz(0,0,z)=μ0 I R22 (R2+z2)3/2\displaystyle B_{z}(0,0,z) = \frac{\mu_0\,I\,R^2}{2\,\bigl(R^2 + z^2\bigr)^{3/2}}

Gracias a la simetría, solo la componente zz se suma tras integrar en φ\varphi reproduciendo el mismo resultado.

Simulador

Code B Calculation Function