전자기학의 라그랑지안

하전입자에 대한 라그랑지안

• 전기장 \(\mathbf{E}=-\nabla \phi\)
• 자기장 \(\mathbf{B}=\nabla \times \mathbf{A}\)
• 전자기장 안에 놓인 질량 \(m\), 전하 \(e\)의 하전입자에 대한 라그랑지안

\[L(q,\dot{q})=\frac{m||\dot{q}||^2}{2}-e\phi+eA_{i}\dot{q}^{i}\]

• 켤레운동량

\[p_{i}=\frac{\partial{L}}{\partial{\dot{q}^{i}}}=m \dot{q}_{i}+eA_{i}=mv_{i}+eA_{i}\]

• 오일러-라그랑지 방정식 \(\dot{p}=F\)은 다음과 같이 쓰여진다

\[ \dot{p}_{i}=m\frac{dv_{i}}{dt}+e\frac{\partial{A_{i}}}{\partial t}+e\frac{\partial{A_{i}}}{\partial{q}^{j}}\dot{q}^{j}=m\frac{dv_{i}}{dt}+e\frac{\partial{A_{i}}}{\partial{q}^{j}}\dot{q}^{j} \\ F_{i}=\frac{\partial{L}}{\partial{q^{i}}}=\frac{\partial}{\partial{{q}^{i}}}(-e\phi+eA_{j}\dot{q}^{j})=-e\frac{\partial{\phi}}{\partial{q}^{i}} +e\frac{\partial{A_{j}}}{\partial{q}^{i}}\dot{q}^{j} \] \[m\frac{dv_{i}}{dt}=eE_{i}+eF_{ij}\dot{q}^{j},\quad i=1,2,3 \label{eom}\] 여기서 \(F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu \,\!\)

• \(F_{12}=B_{3}\), \(F_{23}=B_{1}\), \(F_{31}=B_{2}\)
• 가령 \(i=1\)이면, \ref{eom}은 다음과 같다

\[ ma_1=eE_1+e(F_{11}\dot{q}^{1}+F_{12}\dot{q}^{2}+F_{13}\dot{q}^{3})=eE_1+e(F_{12}\dot{q}^{2}-F_{31}\dot{q}^{3})=eE_1+e(\mathbf{v}\times \mathbf{B})_{1} \]

• 전하가 받는 힘 \(\mathbf{F}\)는 다음과 같다

\[\mathbf{F}=e(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times \mathbf{B})\]

• 이를 로렌츠 힘이라 한다
• 전자기 텐서와 맥스웰 방정식

전자기장에 대한 라그랑지안

상호작용이 없는 경우

• \(j\)와 \(\rho\)가 0인 경우
• 전자기장에 대한 라그랑지안은 다음과 같다

\[\mathcal{L}_{\text{EM}}= - \frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}=\frac{1}{2}(\mathbf{E}^2-\mathbf{B}^2)\] 이 때 \(F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu \,\!\)는 전자기텐서, \(A=(A_{\mu})\)는 전자기 포텐셜

• 작용

\[S=-\frac{1}{4}\int F^{\alpha\beta}F_{\alpha\beta}\,d^{4}x\]

• 라그랑지안은 전자기 포텐셜의 다음과 같은 변환에 대하여 불변이다

\[A_{\mu}(x) \to A_{\mu}(x)-\partial_{\mu}\Lambda(x)\] 여기서 \(\Lambda(x)\)는 임의의 스칼라장

• 운동방정식

\[ \partial_\mu F^{\mu\nu}=0 \]

상호작용이 있는 경우

• \(j\)와 \(\rho\)가 0이 아닌 경우
• 전자기장에 대한 라그랑지안은 다음과 같다

\[L=-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}-ej_\mu A^\mu\]

• 작용

\[S[\phi,A]=\int_{t_1}^{t_2}\int_{\mathbb{R}^3}\left(-\rho\phi+j\cdot A+\frac{\epsilon_0}{2}E^2-\frac{1}{2\mu_0}B^2\right)\,dV\,dt\]

• 운동방정식

\[ \nabla\cdot E=\frac{\rho}{\epsilon_0}\\ \nabla\times B=\mu_0j+\epsilon_0\mu_0\frac{\partial E}{\partial t} \]

메모

• http://dexterstory.tistory.com/724
• http://physics.stackexchange.com/questions/3005/derivation-of-maxwells-equations-from-field-tensor-lagrangian?rq=1

관련된 항목들

• 맥스웰 방정식
• 맥스웰 방정식의 게이지 불변성
• 게이지 이론

매스매티카 파일 및 계산 리소스

• https://docs.google.com/file/d/0B8XXo8Tve1cxTnVDTUZHbm8xNzA/edit

사전 형태의 참고자료

• http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_force

리뷰, 에세이, 강의노트

• THOMAS YU Lagrangian formulation of the electromagnetic field
• Lea, The field Lagrangian
• Lecture 8 | Modern Physics: Classical Mechanics (Stanford). 2008. http://www.youtube.com/watch?v=gUUbl444r74&feature=youtube_gdata_player.
  • Susskind, The electromagnetic Lagrangian
• Special Relativity | Lecture 9. 2012. http://www.youtube.com/watch?v=sGyXdCb0l50&feature=youtube_gdata_player.
  • Susskind, Lagrangian for Maxwell's Equations
• http://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/qft/six.pdf

메타데이터

위키데이터

• ID : Q172137

Spacy 패턴 목록

• [{'LOWER': 'lorentz'}, {'LEMMA': 'force'}]
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• [{'LOWER': 'coulomb'}, {'OP': '*'}, {'LOWER': 'lorentz'}, {'LEMMA': 'force'}]