In fisica, in particolare in elettromagnetismo, il tensore elettromagnetico, anche detto tensore del campo elettromagnetico, tensore dello sforzo del campo, tensore di Faraday o bivettore di Maxwell, è un tensore che descrive il campo elettromagnetico.
Il tensore di campo fu usato per la prima volta da Hermann Minkowski, e consente di scrivere le leggi fisiche in maniera molto concisa e generale.
Definizione
Il tensore elettromagnetico
è definito come:[1]

dove
è il potenziale quadrivettoriale:

in cui
è il potenziale magnetico, un potenziale vettore, e
è il potenziale elettrico, un potenziale scalare. La forma del tensore esprime il fatto che il campo elettrico ed il campo magnetico sono definiti a partire dal quadripotenziale nel seguente modo:[2]

Ad esempio, le componenti
sono:

che si possono riscrivere (ricordando che abbassando gli indici del tensore A tramite la metrica di Minkowski cambiamo segno alla componente temporale) come:

Il tensore elettromagnetico può quindi essere definito anche come la derivata esterna della forma 1-differenziale
:

Dal momento che il tensore elettromagnetico è una forma 2-differenziale sullo spaziotempo, in un sistema di riferimento inerziale la matrice che lo rappresenta è:[3]

oppure:

Dalla forma matriciale del tensore di campo si evince che il tensore elettromagnetico è un tensore antisimmetrico:

la cui traccia è nulla, e possiede sei componenti indipendenti. Il prodotto interno dei tensori del campo è inoltre un invariante di Lorentz:

mentre il prodotto del tensore
con il suo tensore duale dà un'invariante pseudoscalare:

dove
è il tensore unitario completamente antisimmetrico del quart'ordine o tensore di Levi-Civita. Si noti che:

Derivazione
Si consideri una particella con carica elettrica
e massa
posta in una regione in cui è presente un campo elettromagnetico. Sia
la velocità della particella e
la quantità di moto, con
il potenziale vettore. La sua energia potenziale e la sua energia cinetica hanno la forma:

dove
è il potenziale elettrico. La lagrangiana
permette di descriverne il moto, ed è definita come:[4]

ovvero:

In notazione relativistica, sfruttando l'intervallo spaziotemporale (scalare)
, dove
è la posizione, l'azione
è definita come l'integrale della lagrangiana nel tempo tra gli istanti iniziale e finale dell'evoluzione del sistema:[5]

con
il quadripotenziale. Il principio di minima azione stabilisce che il moto di un sistema fisico fra due istanti dello spazio delle fasi è tale che l'azione sia stazionaria in corrispondenza della traiettoria del moto per piccole perturbazioni dello stesso (
), ovvero:[6]

Se si integra per parti si ottiene:

con
la quadrivelocità. Dato che il secondo termine è nullo e che:

si ha:
![{\displaystyle \int \left(mc\,du_{i}\delta x^{i}+{e \over c}\delta x^{i}{\frac {\partial A_{i}}{\partial x^{k}}}dx^{k}+{e \over c}{\frac {\partial A_{i}}{\partial x^{k}}}\delta x^{k}dx^{i}\right)=\left[mc{du_{i} \over ds}-{e \over c}\left({\frac {\partial A_{k}}{\partial x^{i}}}-{\frac {\partial A_{i}}{\partial x^{k}}}\right)u^{k}\right]\delta x^{i}ds=0}](./6d2939b154baa603833fb9847db3b2c095587c71.svg)
dove nel secondo passaggio si è sfruttato il fatto che
e
. Ponendo:

si ha:

che è l'equazione del moto per una particella carica in un campo elettromagnetico.[7]
In elettrodinamica quantistica la lagrangiana estende quella classica, ed in forma relativistica è data da:

incorporando la creazione e l'annichilazione di fotoni (e elettroni).
L'elettromagnetismo classico e le equazioni di Maxwell possono essere derivati da un principio di azione stazionaria partendo dall'azione:

dove
è ambientata nello spaziotempo. Questo significa che la densità di lagrangiana è:

Il primo e il quarto termine sono uguali, perché
e
sono indici muti. Anche i restanti sono uguali, e quindi la lagrangiana è:

Usando l'equazione di Eulero-Lagrange per un campo si ha:

dove il secondo termine è zero in quanto la lagrangiana non contiene esplicitamente i campi, ma solo le loro derivate. Quindi l'equazione di Eulero-Lagrange assume la forma:

in cui il termine tra le parentesi è il tensore di campo
, e quindi:

Questa equazione è un altro modo per scrivere le due equazioni di Maxwell non omogenee in assenza di sorgenti nel vuoto, usando le sostituzioni:

dove
and
prendono i valori 1, 2, e 3. In presenza di sorgenti le equazioni di Maxwell non omogenee sono:

e si riducono a:[8]

dove:

è la quadricorrente. Le equazioni omogenee:

si riducono invece a:

Nel momento in cui si passa dalla descrizione del campo in termini delle coordinare rispetto ad un sistema inerziale
alla medesima descrizione rispetto ad un altro sistema inerziale
, il tensore elettromagnetico si trasforma secondo la legge:

Detta
la matrice di trasformazione della relativa trasformazione di Lorentz, si ha in modo equivalente:

dove l'asterisco denota la matrice trasposta.
Le espressioni spaziali dei campi ottenute per una traslazione di
rispetto a
lungo l'asse delle ascisse con velocità
sono:



Per una trasformazione di Lorentz generica, si ha:[9]


Tali espressioni mostrano come il campo magnetico ed il campo elettrico siano due manifestazioni dello stesso campo, il campo elettromagnetico. A seconda del sistema di riferimento lo stesso campo si osserva in modo diverso, ed è possibile trovare due sistemi tali per cui in uno di essi il campo è puramente magnetico o puramente elettrico, mentre nell'altro si osservano entrambi. Non esistono tuttavia due sistemi in cui il campo elettromagnetico sia contemporaneamente elettrostatico e magnetostatico rispettivamente.
Note
- ^ Jackson, p. 556.
- ^ Jackson, p. 555.
- ^ Landau e Lifšic, p. 90.
- ^ Classical Mechanics (2nd Edition), T.W.B. Kibble, European Physics Series, Mc Graw Hill (UK), 1973, ISBN 0-07-084018-0.
- ^ Landau e Lifšic, p. 69.
- ^ Landau e Lifšic, p. 88.
- ^ Landau e Lifšic, p. 89.
- ^ Jackson, p. 557.
- ^ Jackson, p. 558.
Bibliografia
- (EN) John D Jackson, Classical Electrodynamics, 3ª ed., Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X.
- Lev D. Landau e Evgenij M. Lifšic, Fisica teorica 2 - Teoria dei campi, Roma, Editori Riuniti Edizioni Mir, 1976, ISBN 88-359-5358-8.
Voci correlate