İki boyutlu bir iki
kutuplu koordinat sisteminin iki odağını ayıran eksen etrafında döndürülmesiyle elde edilen toroidal koordinatların gösterimi . Odaklar , dikey
z ekseninden 1 uzaklıkta bulunur . Kırmızı kürenin $ xy $ düzleminin üzerinde kalan kısmı σ = 30 ° eş yüzey, mavi simit τ = 0.5 eş yüzey ve sarı yarı düzlem φ = 60 ° eş yüzeydir. Yeşil yarı düzlem, φ'nin ölçüldüğü
x -
z düzlemini gösterir. Siyah nokta, kabaca Kartezyen koordinatlarında (0.996, −1.725, 1.911) kırmızı, mavi ve sarı eş yüzeylerin kesişme noktasında yer almaktadır.
Toroidal koordinatlar , iki boyutlu iki kutuplu koordinat sisteminin iki odağını ayıran eksen etrafında döndürülmesinden kaynaklanan üç boyutlu bir dikey koordinat sistemidir . Bu durumda, iki odak ve de iki kutuplu koordinatları yarıçaplı bir halka haline içinde koordinat simit şekilli sistemin düzlemi; -Axis dönme eksenini oluşturmaktadır. Odak halkası aynı zamanda referans çemberi olarak da bilinir.
Tanım
Toroidal koordinatların en yaygın tanımı şudur:
birlikte ). Bir noktanın koordinat açısına eşittir ve koordinat eşittir doğal logaritma mesafelerin oranı ve fokal halkanın zıt taraflarına
Koordinat aralıkları ve ve
Koordinat yüzeyleri
Bu iki boyutlu
iki kutuplu koordinat sistemini dikey eksen etrafında döndürmek, yukarıdaki üç boyutlu toroidal koordinat sistemini oluşturur. Dikey eksendeki daire kırmızı
küre , yatay eksendeki daire ise mavi
simit olur .
Sabit yüzeyler, farklı yarıçaplı kürelere karşılık gelir
hepsi odak halkasından geçer ancak eşmerkezli değildir. Sabit yüzeyler , farklı yarıçaplarda kesişmeyen tori şeklindedir.
odak halkasını çevreleyen. Sabit kürelerin merkezleri eksen boyunca uzanırken, sabit küreler düzlemde merkezlenmiştir .
Ters dönüşüm
Koordinatları Kartezyen koordinatlarında (hesaplanabilir x , y , z ), aşağıdaki gibi. Azimut açısı formülle verilir
P noktasının silindirik yarıçapı şu şekilde verilir:
ve ile tanımlanan düzlemdeki odaklara olan mesafeleri şu şekilde verilir:
Koordinat , odak mesafelerinin
doğal logaritmasına eşittir
oysa kosinüs yasasından belirlenebilen ışınlar ile odak arasındaki açıya eşittir
Veya açıkça işaret dahil olmak üzere,
nerede .
Silindirik ve toroidal koordinatlar arasındaki dönüşümler, karmaşık gösterimde şu şekilde ifade edilebilir:
Ölçek faktörleri
Toroidal koordinatlar için ölçek faktörleri ve eşittir
oysa azimut ölçek faktörü eşittir
Böylece, sonsuz küçük hacim elemanı eşittir
Diferansiyel Operatörler
Laplacian tarafından verilir
Bir vektör alanı için , Vektör Laplacian şu şekilde verilir:
Gibi diğer diferansiyel operatörler
ve koordinatlar ifade edilebilir bulunan genel formüller içine ölçek faktörlerini değiştirilmesi ile ortogonal koordinat .
Toroidal harmonikler
Standart ayırma
3 değişkenli Laplace denklemi
Toroidal koordinatlarda değişkenlerin ayrılması yoluyla çözümü kabul eder. İkame yapmak
Ayrılabilir bir denklem elde edilir. Değişkenlerin ayrılmasıyla elde edilen belirli bir çözüm şudur:
burada her işlev aşağıdakilerin doğrusal bir kombinasyonudur:
P ve Q'nun , birinci ve ikinci türdeki Legendre işlevleri ile ilişkili olduğu yerlerde . Bu Legendre fonksiyonları genellikle toroidal harmonikler olarak adlandırılır.
Toroidal harmoniklerin birçok ilginç özelliği vardır. Değişken bir ikame yaparsanız , örneğin, kaybolan sırayla (kongre, kaybolduğunda emri yazmamaktır) ve
ve
burada ve eksiksiz eliptik integral bir birinci ve ikinci tür, sırasıyla. Toroidal harmoniklerin geri kalanı, örneğin, ilişkili Legendre fonksiyonları için yineleme ilişkileri kullanılarak, tam eliptik integraller cinsinden elde edilebilir.
Toroidal koordinatların klasik uygulamaları, kısmi diferansiyel denklemlerin çözülmesidir , örneğin, toroidal koordinatların değişkenlerin ayrılmasına izin verdiği Laplace denklemi veya toroidal koordinatların değişkenlerin ayrılmasına izin vermediği Helmholtz denklemi . Tipik örnekler, iletken bir simidin elektrik potansiyeli ve elektrik alanı veya dejenere durumda bir elektrik akımı halkası olabilir (Hulme 1982).
Alternatif bir ayrım
Alternatif olarak, farklı bir ikame yapılabilir (Andrews 2006)
nerede
Yine ayrılabilir bir denklem elde edilir. Değişkenlerin ayrılmasıyla elde edilen belirli bir çözüm şu şekildedir:
burada her işlev aşağıdakilerin doğrusal bir kombinasyonudur:
Not toroidal harmonikler için yeniden kullanılır, ancak bu , T fonksiyonu, argüman yerine ve ve endeksleri değiş tokuş edilir. Bu yöntem, yüklü halka, sonsuz yarım düzlem veya iki paralel düzlem gibi sınır koşullarının küresel açıdan bağımsız olduğu durumlarda kullanışlıdır . Hiperbolik kosinüs argümanı ile toroidal harmonikleri hiperbolik kotanjant argümanınınkilerle ilişkilendiren kimlikler için Whipple formüllerine bakınız .
Referanslar
Kaynakça
-
Mors Başbakanı, Feshbach H (1953). Teorik Fizik, Bölüm Yöntemleri I . New York: McGraw – Hill. s. 666.
-
Korn GA, Korn TM (1961). Bilim Adamları ve Mühendisler için Matematiksel El Kitabı . New York: McGraw-Hill. s. 182. LCCN 59014456 .
-
Margenau H, Murphy GM (1956). Fizik ve Kimya Matematiği . New York: D. van Nostrand. s. 190 –192. LCCN 55010911 .
-
Ay PH, Spencer DE (1988). "Toroidal Koordinatlar ( η , θ , ψ )". Koordinat Sistemleri, Diferansiyel Denklemler ve Çözümlerini İçeren Alan Teorisi El Kitabı (2. baskı, 3. gözden geçirilmiş baskı baskısı). New York: Springer Verlag. s. 112–115 (Bölüm IV, E4Ry). ISBN 978-0-387-02732-6 .
Dış bağlantılar