Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Мультиполь — Википедия

Мультиполь

(перенаправлено с «Мультипольное разложение»)

Мультипо́ли (от лат. multum — много и греч. πόλος — полюс) — определённые конфигурации точечных источников (зарядов). Простейшими примерами мультиполя служат точечный заряд — мультиполь нулевого порядка; два противоположных по знаку заряда, равных по абсолютной величине — диполь, или мультиполь 1-го порядка; 4 одинаковых по абсолютной величине заряда, размещённых в вершинах параллелограмма, так что каждая его сторона соединяет заряды противоположного знака (или два одинаковых, но противоположно направленных диполя) — квадруполь, или мультиполь 2-го порядка. Название мультиполь включает обозначение числа зарядов (на латинском языке), образующих мультиполь, например, октуполь (окту — 8) означает, что в состав мультиполя входит 8 зарядов[1].

Выделение таких конфигураций связано с разложением поля[2] от сложных, ограниченных в пространстве систем источников поля (включая и случай непрерывного распределения источников) по мультиполям - так называемым 'мультипольным разложением'[3].

Под полем может иметься в виду электростатическое или магнитостатическое поле, а также аналогичные им поля (например, ньютоновское гравитационное поле)[4].

Такое разложение часто может применяться для приближенного описания поля от сложной системы источников на большом (много большем, чем размер самой этой системы) расстоянии от неё; в этом случае важно то, что поле мультиполя каждого следующего порядка убывает с расстоянием гораздо быстрее предыдущих, поэтому часто можно ограничиться несколькими (в зависимости от расстояния и требуемой точности) членами (низших порядков) мультипольного разложения. В другом случае по разным причинами мультипольное разложение оказывается удобным даже при суммировании всех порядков (тогда оно представляет собой бесконечный ряд); в этом случае оно дает точное выражение поля не только на больших, но в принципе на любых расстояниях от системы источников (за исключением внутренних её областей).

Кроме статических (или приближенно статических) полей часто в связи с мультипольными моментами говорят о мультипольном излучении - излучении, рассматриваемом как обусловленное изменением во времени мультипольных моментов системы-излучателя. Этот случай отличается тем, что в нем поля разных порядков убывают с расстоянием одинаково быстро, различаясь зависимостью от угла.

Мультипольное разложение скалярного поляПравить

Система точечных покоящихся зарядовПравить

Электростатический потенциал системы зарядов в точке R  

φ ( R ) = i q i | R r i | ,  

где q i   — заряды, r i   — их координаты. Раскладывая этот потенциал в ряд Тейлора, получим

φ ( R ) = l = 0 φ ( l ) ( R ) ,  

называемое мультипольным разложением, где введено обозначение

φ ( l ) ( R ) = ( 1 ) l l ! i q i α 1 α l r i α 1 r i α l l R α 1 R α l ( 1 R )  

2 l  -польные потенциалы, l   называют порядком члена мультипольного разложения. Член 0-го порядка имеет вид

φ ( 0 ) ( R ) = i q i R ,  

что совпадает с потенциалом точечного заряда Q = i q i   (потенциалом монополя). Член 1-го порядка равен

φ ( 1 ) ( R ) = ( i q i r i ) n R 2 ,  

где n = R / R   — единичный вектор, направленный вдоль R  . Если ввести дипольный момент системы зарядов как d = i q i r i  , то система φ ( 1 ) ( R )   совпадёт с потенциалом точечного диполя. Таким образом, потенциал в 1-м порядке разложения по мультиполям имеет вид

φ ( R ) = q R + d n R 2 + O ( 1 R 3 ) .  

Если q = 0  , то дипольный момент не зависит от выбора начала координат. Если q 0  , то можно выбрать систему координат с центром в точке R 0 = d / q  , тогда дипольный момент станет равным нулю. Такая система называется системой центра заряда. Следующий член разложения имеет вид

φ ( 2 ) ( R ) = D α 1 α 2 n α 1 n α 2 2 R 3 ,  

где D α 1 α 2 = i q i ( 3 r i α 1 r i α 2 δ α 1 α 2 r i 2 )   — квадрупольный момент системы зарядов. Введём матрицу D   квадрупольного момента. Тогда потенциал в 2-м порядке разложения по мультиполям примет вид

φ ( R ) = q R + d n R 2 + n D n 2 R 3 + O ( 1 R 4 ) .  

Матрица D   является бесследовой, то есть t r D = 0  . Кроме того, она является симметричной, то есть D T = D  . Поэтому она может быть приведена к диагональному виду с помощью поворота осей декартовых координат.

В общем случае вклад l  -го порядка в потенциал может быть представлен в виде:

φ ( l ) ( R ) = d α 1 α l n α 1 n α l l ! R l + 1 ,  

где d α 1 α l   — 2 l  -польный момент системы зарядов, представляющий собой неприводимый тензор l  -го порядка. Этот тензор симметричен по любой паре индексов и обращается в нуль при сворачивании по любой паре индексов.

Система распределённых зарядовПравить

Если заряд распределён с некоторой плотностью ρ ( r )  , то переходя к непрерывному пределу (или непосредственно выводя из исходных формул) в формулах для дискретного распределения можно получить мультипольное разложение и в этом случае:

φ ( R ) = ( V ) ρ ( r ) | R r | d 3 r ,  

где V   — объём, в котором находится распределённый заряд. Тогда мультипольные моменты имеют вид:

q = ( V ) ρ ( r ) d 3 r ,  
d = ( V ) ρ ( r ) r d 3 r ,  
D α 1 α 2 = ( V ) ρ ( r ) ( 3 r α 1 r α 2 δ α 1 α 2 r 2 ) d 3 r  

Формулы для потенциалов мультиполей остаются неизменными. Случай дискретной системы зарядов может быть получен подстановкой их плотности распределения, которая может быть выражена через δ-функции:

ρ ( r ) = i q i δ ( r r i ) .  

При вычислении потенциала полезна формула 1 | R r | = 1 R n = 0 P n ( x ) ( r R ) n  , где P n ( x )   — полиномы Лежандра, x = cos θ  .[5]

Мультипольное разложение напряжённости электростатического поляПравить

Напряжённость электростатического поля системы зарядов равна градиенту электростатического потенциала, взятому с обратным знаком

E ( R ) = φ ( R ) .  

Подставив в эту формулу напряжённость мультипольное разложение потенциала, получим мультипольное разложение напряжённости электростатического поля

E ( R ) = l = 0 E ( l ) ( R ) ,  

где

( E ( l ) ( R ) ) α 0 = ( 1 ) l + 1 l ! i q i r i α 1 r i α n l + 1 R i α 0 R i α 1 R i α n ( 1 R )  

— электрическое поле 2 l  -поля.

В частности поле точечного заряда (монополя) имеет вид:

E ( 0 ) ( R ) = Q R 2 n ,  

что соответствует закону Кулона.

Поле точечного диполя:

E ( 1 ) ( R ) = 3 ( n d ) n d R 3 .  

Поле точечного квадруполя:

E ( 2 ) ( R ) = 5 n ( n D n ) 2 D n 2 R 4 .  

Таким образом, электрическое поле системы покоящихся зарядов во 2-м порядке мультипольного разложения имеет вид:

E ( R ) = Q R 2 n + 3 ( n d ) n d R 3 + 5 n ( n D n ) 2 D n 2 R 4 + O ( 1 R 5 ) .  

Из данной формулы просто получить нормальную (радиальную) компоненту электрического поля

E n ( R ) = n E ( R ) = Q R 2 + 2 n d R 3 + 3 n D n 2 R 4 + O ( 1 R 5 ) .  

Тангенциальная компонента может быть найдена вычитанием нормальной

E τ ( R ) = E ( R ) n E ( R ) = ( n d ) n d R 3 + n ( n D n ) D n R 4 + O ( 1 R 5 ) .  

Если нормальная (радиальная) компонента отражает сферически симметричное распределение зарядов, то тангенциальая — несферический вклад в электростатическое поле. Таким образом, квадрупольный момент является интересным для исследования не только, когда суммарный заряд и дипольный момент системы равны нулю, но и в том случае, когда кулоновский вклад ненулевой. Тогда, в соответствии с формулой для тангенциальной компоненты, квадрупольный момент характеризует степень несферичности электрического поля в системе центра заряда. Именно так были измерены электрические квадрупольные моменты у атомных ядер и был сделан вывод об отсутствии у них сферической симметрии.

Мультипольное разложение статического магнитного поляПравить

Векторный потенциал зарядов, движущихся с постоянной скоростью имеет вид:

A ( R ) = 1 c i q i v i | R r i |  

Он аналогичным образом раскладывается в мультипольное разложение:

A ( R ) = l = 1 A ( l ) ( R ) .  

Ряд начинается с l = 1  , так как магнитных зарядов не существует (магнитные заряды в физике фундаментальных взаимодействий не обнаружены, хотя они и могут быть использованы, как модель для описания явлений в физике твёрдого тела). Этот член соответствует магнитному диполю (точечному круговому контуру с током):

A ( 1 ) ( R ) = [ m , R ] R 3 ,  

где m   — магнитный момент системы токов (движущихся зарядов):

m = 1 2 c i q i [ r i , v i ]  

ЛитератураПравить

ПримечанияПравить

  1. Прохоров А. М. (ред.). Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — 672 с. — ISBN 5-85270-034-7.
  2. Конечно же, представлено поле может быть как потенциалом, так и напряженностью.
  3. Денисов В. И. Глава II. Стационарные электромагнитные поля // Лекции по электродинамике. Учебное пособие. — 2-е изд.. — М.: Издательство УНЦ ДО, 2007. — 272 с. — ISBN 978-5-88800-330-5.
  4. Для полей, как гравитационное, не имеющих отрицательных зарядов, мультипольное разложение содержит только четные порядки. При этом отрицательные заряды в мультиполях четных порядков (например, в квадруполе) рассматриваются в этом случае чисто формально.
  5. Ли Цзун-дао Математические методы в физике. — М.: Мир, 1965. — стр.146

См. такжеПравить