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CAMPOS Y ONDAS
Campos y Ondas
FACULTAD DE INGENIERÍAUNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA ARGENTINA
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• 1. Algebra vectorial: suma, resta y multiplicación de vectores.
• 2. Sistemas de coordenadas ortogonales: cartesianas, cilíndricas, esféricas.
• 3. Cálculo vectorial: diferenciación e integración de vectores.
– Operaciones: » Gradiente (escalar-vector)» Divergencia (vector-escalar)» Rotacional (vector-vector)
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
•Escalar: Magnitud•Vector: Magnitud y dirección
•Campo es una función que indica una cantidad particular (magnitud, y/o dirección) en una región
Escalares (U, T, ...)Vectoriales (E, H, v...)
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
•Vector Unitario
A AaA
A•Se puede representar gráficamente con un segmento
•Dos vectores son iguales si tienen igual dirección y magnitud, aunque pueden estar desplazados en el espacio
• Dos vectores que no tienen la misma dirección están contenidos en un plano , su suma es otro vector en el mismo plano
aA: es un vector sin dimensión de magnitud 1. y especifica la dirección de A
:A Es el módulo de A y tiene unidades y dimensión
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
•Representación en coordenadas cartesianas
Componentes de A
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CAMPOS Y ONDAS
Sistema positivo, directo o derecho
Sistema negativo o inverso
Orientación del espacio: dos sistemas donde si superponemos x e y , z queda opuesto
Un triedro O,x,y,z se dice positivo o cuando colocando un tornillo normalmente al
plano (x,y) , girando de la parte positiva de x, hacia la parte positiva de y el torni-
llo de rosca derecha avanza hacia la parte positiva del eje z
x
y
z
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
( ) D = A B A B
•Adición y sustracción de vectores
C = A +B ( ) ( ) ( )x x x y y y z z zA B A B A B C a a a
( ) ( ) ( )x x x y y y z z zA B A B A B D a a a
-B
Regla paralelogramo
AD
Regla triángulo
A
B
B-AA-B
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
•Vector de posición y distancia
•rp: radiovector, es la distancia del origen O al punto P .
•Vector distancia entre dos puntos rpq. Desplazamiento entre dos puntos
rP
rQ
rQ-rP
rP-rQ
P
Q
( ) ( ) ( )Q P x Q P y Q P zx x y y z z PQ P Qr r r a a a
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
2 2 2 3/2( )yyA K
x y z
•El punto P no es un vector, su posición se indica con un vector rp (xp, yp,zp)
•Un vector A es una magnitud que en cada punto P puede tener un valor distinto o no y que puede depender de la posición
•A (Ax,Ay,Az)
2 2 2 3/2( )xxA K
x y z
2 2 2 3/2( )zzA K
x y z
Un campo uniforme no depende de las variables x,y,z
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
Multiplicación de Vectores
•Por un escalar k.A: cambia solo la magnitud de A
•Producto escalar o punto de dos vectores : resultado es un escalar
. .cos( )ABA B A.B
A
kA
AB
A
B
AB
AB es el ángulo más pequeño entre A y B
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• El producto escalar de dos vectores resulta:– Menor o igual al producto de sus magnitudes– Puede ser una cantidad +o – dependiendo de θAB(mayor o
menor que 90 )– Es igual a la magnitud de un vector por la proyección del
otro en el primero
– El producto de dos vectores perpendiculares es igual a cero– El producto es conmutativo: A.B=B.A– A.A=|A|2
El producto punto da como resultado un escalar,
En cualquier sistemas de coordenadas |A|=√(A.A)
AB
A
B
. .cos( )ABA B A.B
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Propiedades de la suma y producto por un escalar :
• Propiedades dea producto punto o escalar :
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
( , , )
( , , )x y z
x y z
Ax Ay Az Ax Ay Az
Bx By Bz Bx By Bz
A a a a
B a a a
. . . .Ax Bx Ay By Az Bz ΑΒ
. .cos( )ABA B A.B
( , , )( ) ( ) ( )
Ax Bx Ay By Az Bzx Ax Bx y Ay By z Az Bz
A BA B a a a
( . . ).( . . )x y z x y zAx Ay Az Bx By Bz A.B a a a a a a
. . . 0
. . . 1x y x z y z
x x y y z z
a a a a a a
a a a a a a
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Producto cruz o vectorial:– AxB=C (otro vector)
. . . ( )ABA B sen nAxB a
• La magnitud es el área del paralelogramo• La dirección an es normal al plano determinado por A y B• El sentido tal de avance de un tornillo de rosca derecha cuando A se
hace girar hasta B (b), o regla mano derecha (a), en un triedro positivo.
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CAMPOS Y ONDAS
Producto Cruz o vectorial
. . ( )ABA B sen AxB
0
x y z
z x y
y z x
x x y y z z
a xa a
a xa a
a xa a
a xa a xa a xa
y x z
x z y
z y x
a xa a
a xa a
a xa a
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CAMPOS Y ONDAS
Producto Cruz o vectorial
. . ( )ABA B sen AxB
0
x y z
z x y
y z x
x x y y z z
a xa a
a xa a
a xa a
a xa a xa a xa
y x z
x z y
z y x
a xa a
a xa a
a xa a
( , , )
( , , )x y z
x y z
Ax Ay Az Ax Ay Az
Bx By Bz Bx By Bz
A a a a
B a a a
( ) ( )
( . . . . . . )
( . . ) ( . . ) ( . . )
x y z x y z
z y z x y x
x y z
Ax Ay Az Bx By Bz
Ax By Ax Bz Ay Bx Ay Bz Az Bx Az By
Ay Bz Az By Az Bx Ax Bz Ax By Ay Bx
AxB a a a x a a a
AxB a a a a a a
AxB a a a
Aplicando Distributiva y con las igualdades anteriores se obtiene
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Triple Producto escalar, se define
• Permutaciones cíclica.
• Es el volumen de un paralelepípedo de aristas A, B, y C
B
C
A
an
Área:móduloDirección an
A.an.=altura=h
h
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Triple producto vectorial= vector
Regla bac, cab
• La división por un vector no está definida
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Componentes de un vector o proyecciones
Proyección escalar de A sobre B
Componentes vectoriales de A sobre B, yotra perpendicular A-AB
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Las leyes físicas son independientes del sistema de coordenadas. • Teorema : La condición necesaria y suficiente para que tres escalares
(a1,a2,a3) sean componentes de un vector , es que por un cambio de coordenadas ortogonales de origen fijo, ellas se transformen según las mismas fórmulas que las coordenadas del punto.
A
x
y
X’
y’
A
a1
a2
a1’
a2’
Si definimos un nuevo vector kA
K: es un número fijo independiente del sistema de coordenadas
sus componentes ka1,ka2,ka3en otro sistema serán ka1’,ka2’,ka3’
La definición es independiente del sistema de referencia
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Si definimos un nuevo vector k+A • sus componentes k+a1,k+a2,k+a3• en otro sistema NO serán k+a1’,k+a2’,k+a3’• Esta definición NO es independiente del sistema de
referencia.• k+A: NO es un VECTOR
X’
A
k+A
x
yy’
a1’
Las operaciones de vectores definidas son independiente del sistema de coordenadas
Suma, producto escalar, producto vectorial (salvo orientación del sistema)
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CAMPOS Y ONDAS
Análisis Vectorial
• Las operaciones de vectores definidas son independiente del sistema de coordenadas
• Suma• producto escalar• producto vectorial (orientación del sistema)• Vector desplazamiento: independiente del sistema
– dP=dx.ax+dy.ay,+dz.az
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CAMPOS Y ONDAS
• Sistema de coordenadas ortogonal : son perpendiculares entre si.
• Los mas usados son:– Cartesiano o rectangular– Cilíndrico – Esférico
• Para la resolución de problemas prácticos se requiere que las expresiones derivadas de las leyes se expresen en el sistema apropiado
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CAMPOS Y ONDAS
Sistemas de Coordenadas
•Un punto en puede localizarse en el espacio como la intersección de 3 superficies•Si las superficies son
u1= constanteu2= constanteu3= constant
•Donde los ui, pueden ser longitudes , o ángulos
•Sitema coordenadas cartesiana
u1=xu2=yu3=z
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CAMPOS Y ONDAS
Sistemas de Coordenadas
Un punto en coordenadas cartesianas resulta de la intersección de tres planos
Coordenadas Cartesianas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas curvilíneas ortogonales
constante= constantez=constante
Coordenadas Cilíndricas
a= vector unitario en la dirección del radioa= vector unitario en la dirección del ángulo azimutalaz= vector unitario en la dirección de z
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CAMPOS Y ONDAS
• a= vector unitario en la dirección del radio• a= vector unitario en la dirección del ángulo azimutal• az= vector unitario en la dirección de z
Permutaciones cíclicas
a
aaz
Coordenadas Cilíndricas
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CAMPOS Y ONDAS
• Relaciones entre las variables cartesianas y cilíndricas
Coordenadas Cilíndricas
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CAMPOS Y ONDAS
• Relaciones entre los vectores unitarios o versores
Coordenadas Cilíndricas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas Cilíndricas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
• Coordenadas esféricas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
Dirección de los vectores unitarios
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
• Relaciones entre las variables cartesianas y esféricas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
• Vectores unitarios se relacionan de la siguiente manera
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
• Transformación de vectores de coordenadas cartesianas a esféricas
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CAMPOS Y ONDAS
Coordenadas esféricas
• Transformación de vectores de coordenadas esféricas a cartesianas
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CAMPOS Y ONDAS
• Transformación de vectores de coordenadas esféricas a cilindricas
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CAMPOS Y ONDAS
Resumen de cambio de coordenadas
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CAMPOS Y ONDAS
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CAMPOS Y ONDAS
Diferenciales de longitud, área y volumen
Coordenadas cartesianas, eje derecho
longitud
área
volumen
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CAMPOS Y ONDAS
Diferenciales de longitud, área y volumen
Coordenadas cilíndricas
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CAMPOS Y ONDAS
Diferenciales de longitud, área y volumen
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CAMPOS Y ONDAS
Diferenciales de longitud, área y volumen
1 1 1 2 2 2 3 3 3h du h du h du dl a a a
Cartesianas (x,y,z) : h1=h2=h3=1
hi: son coeficientes métricos o de longitud, convierten los diferenciales en longitudes
Cilíndricas (z): h1=1, h2=h3=1
Esféricas (r,): h1=1,h2=r; h3=r.sen
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CAMPOS Y ONDAS
Integral de línea
• Integral de línea– Dado un vector A– Una curva L– Producto escalar
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CAMPOS Y ONDAS
Integral de línea
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CAMPOS Y ONDAS
Integral de Superficie
Flujo
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CAMPOS Y ONDAS
Integral de Volumen
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CAMPOS Y ONDAS
Gradiente
• Para analizar como cambia un campo escalar en el espacio es necesario derivadas parciales en tres direcciones.
• La derivada depende de cual es la dirección en que nos movemos,• El gradiente de un campo escalar V es un vector que representa la
magnitud y la dirección de la máxima rapidez de incremento espacial de V
V V+V
V(x,y)
y
x
.V GradV
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CAMPOS Y ONDAS
• La derivada es mas grande a lo largo de la normal (PQ), porque es la distancia mas corta entre ambas curvas (superficies) de nivel
• El gradiente es perpendicular a la curva de nivel• Las derivadas en otras direcciones puede escribirse como el
gradiente proyectado en esta dirección
• El diferencial de V se puede expresar con el producto escalar de
• Esta expresión se puede usar para obtener el gradiente en distintas coordenadas
( . ).dV V dl
cos .dV V V Vdl PS PQ
l
Gradiente
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CAMPOS Y ONDAS
Gradiente
• dV es el diferencial total de V como resultado de un cambio de posición de P a S
1 2 31 2 3
. . . V.V V VdV dl dl dll l l
dl
1 2
1 2 3 1 1 1 2 2 2 3 3 31 2 3
i
i
1 2 31 2 3 3
. . . V . V . V .
V . .
1V .
1 1 1
i i ii
i i
V V VV dl dl dl dl h dl h dl hl l l
Vdl h dll
Vh l
u u uh dl h dl h dl
a a a Operador gradiente
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CAMPOS Y ONDAS
Gradiente
zdV V d V d V dz
( )V V VdV d d dz V d d dzz
a a a
•Coordenadas cilindricas
•Coordenadas cartesianas
• Coordenadas esféricas
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CAMPOS Y ONDAS
Gradiente
• Fórmulas de cálculo, fácilmente comprobables
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
• Derivadas espaciales de campos vectoriales– Divergencia– Rotacional
• Los campos vectoriales se pueden representar con líneas de flujo– Curvas que indican en cada punto su dirección– La magnitud se puede indicar con la densidad o la longitud de
las líneas– El flujo de un campo vectorial es análogo al flujo de un líquido
incompresible – Si el volumen es encerrado por una superficie habrá exceso de
flujo si sale por la superficie ‘fuente’ , y si entra es ‘sumidero’
• Divergencia:de A en el punto P como el flujo neto de salida de A por unidad de volumen , conforme el volumen alrededor del punto tiende a cero
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
• Divergencia de un Campo vectorial:
Fuente, diverge, +
Sumidero, converge, -
Divergencia nula,0
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
Encontremos la expresión en coordenadas cartesianas
Desarrollo de Ax alrededor de P con series de Taylor
Ax
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
La expresión en coordenadas cilíndricas
Se aplica la definición pero considerando que las superficies también varían,Entonces lo que se debe diferenciar es Ai.si, en cada componente
( ) ( ).( . ) .( . ). .
A dz d A dz ddz d d
2. 3 1 1. 3 2 2. 1 3
1 2. 3 1 2 3
( . ) ( . ) ( . )1..
h h A h h A h h AAh h h u u u
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
La expresión en coordenadas esféricas
2. 3 1 1. 3 2 2. 1 3
1 2. 3 1 2 3
( . ) ( . ) ( . )1..
h h A h h A h h AAh h h u u u
Esféricas h1=1,h2=r; h3=r.sen
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
• Teorema de la divergencia: el flujo hacia fuera de un campo vectorial A a través de una superficie cerrada S, equivale a la integral de volumen (encerrado por la S) de la divergencia de A
ds
ds
ds
Volumen
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CAMPOS Y ONDAS
Divergencia
• Un volumen arbitrario lo dividimos en NVk,• La celda k tiene el Vk, y Sk• Aplicamos la definición de divergencia• Considerando que los flujos en las celdas vecinas se anulan
pues las superficies apuntan en sentido contrario• Solo queda las integrales en las superficies de los
elementos exteriores, superficie S
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Otro tipo de fuentes de los campos llamadas de ´vórtice’ que ocasionan la circulación de un campo vectorial alrededor de una trayectoria cerrada
• El rotacional es un vector cuya magnitud es la circulación máxima de A por unidad de área conforme el área tiende a cero. La orientación sigue la regla de la mano derecha
A
Rotor de A
Curva L
s
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• El rotacional es una función vectorial puntual, su componente en cualquier otra dirección es la proyección del rotacional sobre estas.
• Se puede obtener como la circulación por unidad de área normal a esta y tendiendo a cero
• Componente en otra dirección puede determinarse:
0
1( ) .( ) limu u suu LuS
xA a xA A.dl
A
Rotor de A
Curva Ls
suCurva Lu
Componente Rotor de A,Dirección u
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Expresión del rotacional en coordenadas x,y,z
( , , ) ( ) ( ) ( )o o o o o oAz Az AzAz Az x y z z z y y x xz y x
( , , ) ( ) ( ) ( )o o o o o oAy Ay AyAy Ay x y z z z y y x xz y x
( , , ) ( ) ( ) ( )o o o o o oAx Ax AxAx Ax x y z z z y y x xz y x
A
Rotor de A
Curva L
sy
P
z
yx
P (xo ,yo ,zo)
Desarrollo en series de Taylor
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
( , , ) ( ) ( ) ( )o o o o o oAy Ay AyAy Ay x y z z z y y x xz y x
.Ay dz dyz
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Para los lados bc y da
.Az dz dyy
. .( )
.
Az Aydz dy dz dyAz Ayy zx
dz dy y z
xA
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
( )
( )
( )
Az Ayxy zAx Azyz x
Ay Axzx y
xA
xA
xA
1 1 2 2 3 3
1 2 3 1 2 3
1 1 2 2 3 3
1. .
. . .
u u uh h h
h h h u u uh A h A h A
a a a
xA
El rotacional expresado para las variables u1,u2,u3
Cilíndricas (z):h1=1, h2=h3=1
Esféricas (r,):h1=1,h2=r; h3=r.sen
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Para coordenadas cilíndricas
• Para coordenadas esféricas
Cilíndricas (z): h1=1, h2=h3=1
Esféricas (r,): h1=1,h2=r; h3=r.sen
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Teorema de Stoke: la circulación de un campo A alrededor de una trayectoria cerrada L es igual a la integral de superficie del rotacional de A sobre la superficie S circunscripta por L, siempre que A y rotA sean continuos en S
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CAMPOS Y ONDAS
Rotacional
• Características de campos Rotacionales
Poniendo una ruedita en los distintos puntos un campo, ella tendrá que girar en los puntos que el Rotor sea distinto de cero
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CAMPOS Y ONDAS
Identidades nulas
• Identidad Nula. Divergencia de un rotor
n2
.( ) 0 xA
.( ) ( ).v Sc
dv xA xA ds
Sc=Sc1+Sc2
•La integral de superficie seDivide en dos, conectadas por una frontera comun L1 y L2.•Se aplica Stoke
n1
L2
L1
11 2
1 2
( ). ( ). ( ). 2
( ). 0Sc Sc Sc
Sc L L
xA ds xA ds xA ds
xA ds A.dl A.dl
Gauss
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CAMPOS Y ONDAS
Identidades nulas
• Si la divergencia de un campo vectorial es nula , el campo es solenoidal y se puede expresar como el rotacional de otro campo vectorial
. 0
.( ) 0
BB xA
xA
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CAMPOS Y ONDAS
Identidades nulas
• Identidad Nula. Rotor de un gradiente
( ) 0V x
• Aplicamos Stoke en cualquier superficie
( ). . ( ) ( ) 0P
s P
V V dV V P V P x ds dl
•Si el rotacional de un campo es nulo este campo se puede expresar como el gradiente de una función escalar.•Un campo vectorial irrotacional es conservativo, y se puede expresar como el gradiente de un campo escalar
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CAMPOS Y ONDAS
• Clasificación de Campos Vectoriales según sus fuentes de rotor y divergencia
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CAMPOS Y ONDAS
Teorema de Helmholtz
• Un campo vectorial está determinado si su divergencia y su rotacional están especificados en todo punto– En el infinito debe anularse– O bien si está limitado a una región, se debe conocer la
componente normal en la superficie límite
• Un campo vectorial puede expresarse como la suma de dos vectores uno irrotacional y otro solenoidal de divergencia nula.
. 0s A SolenoidalIrrotacional
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CAMPOS Y ONDAS
Teorema de Helmholtz
2 ( . ) A x xALaplaciano del vector A se define como
2 ( ) ( )v s x ρ
Densidad de origen o ´carga´
Vector: densidad de circulación
Ecuación diferencial de A en función de sus fuentes
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CAMPOS Y ONDAS
Operador
• Divergencia (Gradiente)-->Laplaciano de un Escalar
2.( )V V
• Rotor de Un Rotor= Gradiente(divergencia)-Laplaciano del vector
2( . ) x xA A
x y zx y z
a a a
2
2 2 22
2 2 2
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