Comprender las ecuaciones de Maxwell en una caja

ecuaciones de Maxwell para norte partículas cargadas cada una con carga mi j se sabe que son (en cgs)

mi ( t , X ) = 4 π ρ ( t , X ) B ( t , X ) = 0 × mi ( t , X ) = 1 C B ( t , X ) t × B ( t , X ) = 1 C ( 4 π j ( t , X ) + mi ( t , X ) t )
Con
ρ ( t , X ) = j = 1 norte mi j d ( X X j ( t ) ) j ( t , X ) = j = 1 norte mi j X ˙ j ( t ) d ( X X j ( t ) )
donde cada uno X j representa la posición de la j-ésima partícula. Ahora bien, si nos restringimos a una caja V e imponer condiciones de contorno periódicas, que en principio deberían permitirnos expandir todo usando series de Fourier
mi ( t , X ) = 1 | V | k a ( t ) k mi i k X ρ ( t , X ) = 1 | V | j = 1 norte mi j k mi i k ( X X j ( t ) ) = 1 | V | k ( j = 1 norte mi j mi i k X j ( t ) ) mi i k X
Luego, si aplica la ley de Gauss eléctrica, obtiene la siguiente ecuación para los coeficientes de Fourier
i k a ( t ) k = 4 π j = 1 norte mi j mi i k X j ( t )
Esto es completamente análogo a la ecuación que encuentra al realizar la transformada de Fourier, pero con continua k . Sin embargo, en este caso si consideramos el coeficiente de Fourier para k = 0 esto resulta en
j = 1 norte mi j = 0
Es decir, la carga neta debe ser 0. Claramente, no es físicamente razonable considerar solo sistemas con carga neta 0, por lo que mi pregunta es si hay algún problema con mi procedimiento. Si no, si el problema tiene que ver con cómo asumí ingenuamente que las ecuaciones de Maxwell funcionan en este tipo de sistemas.

Creo que esta es una propiedad inherente de tratar de resolver la ecuación de Poisson en una variedad compacta sin límite (en su caso, el 3-torus). Consulte el último párrafo de esta respuesta para obtener algunas pistas.
@MichaelSeifert, ¿por qué es relevante resolver la ecuación de Poisson en una variedad compacta? Ya tenemos el campo, el problema es la convergencia de sus series de Fourier, no?

Respuestas (2)

En un espacio compacto, la carga neta debe ser cero, por un simple argumento topológico: la carga neta es proporcional a la integral de volumen de la divergencia del campo eléctrico. Según la ley de Gauss, esto es igual a la integral de superficie del campo eléctrico sobre el límite, ¡pero un espacio compacto (periódico) no tiene límite!

O también lo puedes ver en coordenadas: la integral mi d V en un 3-torus es

( mi X X + mi y y + mi z z ) d X d y d z ,

y cada uno de estos términos es cero después de aplicar el teorema fundamental del cálculo y las condiciones de frontera periódicas.

Esto no tiene sentido: sí, podemos considerar un límite donde el campo es discontinuo y la integral de flujo no está definida, pero esto no implica que la integral de flujo sea cero. No está definido, por lo que no puede ser cero. En otras palabras, el límite es inutilizable para el teorema de Gauss y esto no implica nada sobre la carga total. Cuando tomamos una caja ligeramente más pequeña que la utilizada para la serie de Fourier, el flujo está definido y no es cero.
@JánLalinský: para un colector compacto de 3, cualquier superficie gaussiana cerrada divide el colector en dos volúmenes, cualquiera de los cuales puede verse como el "interior". (Esto es más fácil de ver en la superficie de una esfera: ¿tiene el Ecuador, una curva cerrada en la superficie de la Tierra, el Polo Norte o el Polo Sur en su interior?) Las integrales de flujo para estas dos regiones serán idénticas excepto que la "normalidad exterior" se invertirá en todos los puntos; por lo que las integrales de flujo para estos dos volúmenes serán iguales en magnitud pero tendrán signo opuesto. ...
... Así, por la Ley de Gauss, la cantidad de carga en estos dos volúmenes debe ser igual y opuesta. Esto se mantiene incluso si usa una "caja un poco más pequeña" que el volumen completo.
@MichaelSeifert ¡Gracias, ese es un argumento mejor que el que di!

Es posible que no existan series convergentes de Fourier para el campo de Coulomb; no es L2 integrable a través de la singularidad, solo L1 integrable y no todas las funciones integrables L1 tienen series de Fourier convergentes. Si existe, uno no puede intercambiar la suma y la diferenciación en esa serie como ha demostrado que conduce a la contradicción.

Si usamos la transformada de Fourier en su lugar, encontramos que la transformada se comporta en k = 0 como k / | k 2 | por lo que su argumento no funciona.

users.jyu.fi/~salomi/lecturenotes/FA_distributions.pdf Estas notas sugieren que el procedimiento se justifica como una ecuación de distribución, donde la serie de Fourier converge para funciones de prueba periódicas.
¿En qué parte de las notas se muestra que la serie de Fourier para el campo de Coulomb tiene la misma distribución que el campo de Coulomb?
El teorema 2.4.6 muestra que una distribución periódica se define únicamente por su descomposición de Fourier, y el 2.4.7 muestra que se puede intercambiar la derivada por la sumatoria.