научная статья по теме БРИЛЛЮЭНОВСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПОТОКИ В НЕОДНОРОДНЫХ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «БРИЛЛЮЭНОВСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПОТОКИ В НЕОДНОРОДНЫХ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 4, с. 375-386

ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА

УДК 533:537

БРИЛЛЮЭНОВСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПОТОКИ В НЕОДНОРОДНЫХ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

© 2014 г. В. А. Сыровой

Всероссийский электротехнический институт, Российская Федерация, 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 12 Поступила в редакцию 06.05.2013 г.

Для осесимметричных нерелятивистских течений с одной отличной от нуля азимутальной компонентой скорости и течений в ^-направлении получены новые точные решения в специальных и элементарных функциях.

БО1: 10.7868/80033849414030127

ВВЕДЕНИЕ

Цель предлагаемой работы — исследование двумерных осесимметричных нерелятивистских потоков с одной отличной от нуля азимутальной компонентой скорости ^ и аналогичных потоков

с трансляционной симметрией и vz Ф 0 как в нерелятивистском, так и в релятивистском случае. Обзор литературы по течениям бриллюэновского типа приведен в работе [1]. Как показано в [2], при обращении в нуль обобщенного импульса1 Р = VI + Аг = 0 решение уравнений пучка сводится к интегрированию одного уравнения для кова-риантной компоненты А 3 = ЯАЧ = А векторного потенциала:

д2 А + д2 А -1 дА = 0 дЯ2 дг2 Я дЯ .

(1)

Бриллюэновские течения заставляют вспомнить о теории однокомпонентных потоков, обсуждаемой в [3]. В этой теории, однако, не предполагалось наличие магнитного поля. В работе [3] показано, что главными достижениями теории однокомпонентных пучков являются идея о введении системы координат, связанной с геометрией течения (хотя она ошибочно и предполагалась ортогональной), а также построение решения, описывающего эмиссию в р-режиме с плоскости по траекториям-окружностям [4].

При исследовании точных решений интересно выяснить их отношение к групповым свойствам уравнений пучка. В работе [5] показано, что большая часть известных решений представляет собой решения, инвариантные относительно групп преобразований, сохраняющих исходные уравнения.

1 Все последующие соотношения записаны в нормировках,

исключающих физические постоянные используемой системы единиц.

Там же перечислены решения, не имеющие, по-видимому, отношения к этим свойствам. Вновь полученные решения, за исключением двух случаев, не являются инвариантными.

При задании компонент магнитного поля Н'ге (и), НЯе (и) на кривой с параметрическими уравнениями

г = ^е (и) , Я = Яе (и)

(2)

решение уравнения (1) в криволинейной ортогональной системе и, V:

г +/Я = 2е + 1Яе (м>), w = и + V, в + /а = Ze (н>) + Я (н>)

(3)

может быть представлено в виде интеграла, содержащего аналитическое продолжение условий Коши Ае (и), Ат (и) = (дА/д V)е и функций, определяющих геометрию границы (2), а также гипергеометрическую функцию Гаусса Ш с комплексным аргументом X [6]:

А (и, V) = Яе 1 3

Я

1/2

¿е И + I ("Я

1/2

а--вА е

x В |-±,—; 1;хе) +

2 2 ) 8ЯеЯ

3Ае

2

Я2 - Я22 + (2е - г)

2Яе

ве +

+ (е - г)ае)В(2,2;2;Xе)

(4)

X е =-

(Яе - Я)2 + ( - 1 )2

4ЯеЯ

w

= и + /V, С, = и + /£,, Ае = |Яе (аНг - рНЯ )ейи,

Ае = Яе (вНг +аНЯ )е .

V

Индексом e отмечены функции на кривой V = 0 из (3); все функции с этим индексом зависят от ^ = и + .

Если магнитное поле Не задано на оси симметрии, то векторный потенциал A определяется выражением

A =

JVR2 - а2 Re He (z + ta) da.

(5)

z + tR = f (w), w = u + tV; h- = h2 = h2, h3 = R.

Учитывая закон преобразования плоского лапласиана в (1) и формулы для ЗА/ дЯ:

д2 А + д2 А _ ± (З^А + д2А ЗЯ2 дт2 Н2 \ди2 дv2

дА _ за Зи + За Зх

ЗЯ ~ ди ЗЯ дхЗЯ'

ди _ ЗЯ Зх _ 1. ЗЯ

ЗЯ Н2 ди' дЯ Н2 дх'

н2 _ (ЗЯ)2 + (ЗЯ)2 _ (ЗЯ)2 + ((2

Решение (4) выглядит достаточно сложным, особенно при расчете параметров потока, и может иметь смысл только в некоторой окрестности кривой (2), что связано с конструктивной невозможностью построения конформного отображения внешности произвольной кривой на какую-либо каноническую область. Попробуем найти более простые решения уравнения (1), сведя его к обыкновенному дифференциальному уравнению, которое может иметь решение в специальных или элементарных функциях.

Мы не ставим перед собой цель построения общего решения уравнения (1) методом разделения переменных и не будем формулировать краевые задачи, интерес к которым с точки зрения физики представляется сомнительным. Наша задача состоит в поиске частных решений с учетом того обстоятельства, что решения линейного уравнения (1) одновременно являются решениями нелинейной системы уравнений пучка для азимутальных течений бриллюэновского типа. Из сказанного следует, что интерес представляют не только решения с мультипликативным, но и с аддитивным разделением переменных, которое оказывается возможным в тех же криволинейных системах.

Решения в специальных, а особенно в элементарных, функциях представляют собой ценные эталоны при тестировании приближенных и численных моделей.

1. КРИВОЛИНЕИНЫЕ СИСТЕМЫ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ПЕРЕМЕННЫХ

Мультипликативное разделение. Рассмотрим в меридиональной плоскости г, R криволинейные системы и, V с коэффициентами Ляме Нк и конформной метрикой:

(7)

\ди! \дх \ди! \ди, дЯ _ ЗЯ _ дт

ди дх дх ди в координатах и, V получаем

д2А + д2А _ \ дЯ дА _ 1 дЯ дА = 0 (8)

ди2 дv2 Я ди ди Я дv дv .

Для мультипликативного разделения переменных в (8) этим же свойством должна обладать функция Я (и, V):

Я (и^) = и (и)¥ (V)' (9)

которая в силу (6) является гармонической функцией (и, V):

3-Я + 3-Я = о

du2 dv2

В результате для функций U, Vимеем

(10)

U" - a2U = 0, V" + a2V = 0, a = const, (11)

где штрихи означают производные по соответствующему аргументу. Рассмотрим возможные комбинации решений уравнений (11). Вариант

a = 0, U = и, V = 1, к2 = 1 (12)

соответствует цилиндрической системе г, R. При a = 0, U = и, V = v (13)

получаем параболические координаты

= uv,

z + iR = - w2, z = -(u2 - v2), R 2 2V !

h2 = u2 + v2, u2 =Vz2 + R2 + z = 2rcos2-, (14)

2

(6)

2 I 2 ' ^2 ~ .2 0 v = Vz + Я - z = 2r sin -,

2

где r, 0 — сферические координаты, к которым приводит комбинация

a = 1, U = exp (u), V = sin v;

z + iR = lnw, z = exp(u)cosv, Я = exp(u)sinv,(15)

h2 = exp (2u), u = ln r, v = 0.

R

0

(16)

Полагая a = i, приходим к двум вариантам: U = sin u, V = shv; U = sin u, V = chv.

В первом случае имеем z + iR = cos(u - iv), z = cos uchv, R = sinushv, h2 = sin2u + sh2v, D = 1 (z2 + R2 -1), (17)

sin2u = VD27R2 - d, sh2v = VD27R2 + d.

Второй вариант описывается формулами z + iR = ¿sin(u - iv), z = cosushv, R = sinuchv, h2 = cos2u + sh2v, (18)

cos2u = 4D2+z2 - D, sh2v = VD2 + z2 + D.

Приведенные в [7] системы координат с осевой симметрией, в которых разделяются переменные в уравнении Лапласа, могут быть получены из систем (6)—(18) с конформной метрикой. Например, формулы (17), (18) соответствуют вытянутым и сплющенным сфероидальным координатам £,2, 2,3. Последние получаются из u,v, у

2

при преобразованиях перемаркировки :

= dshv, 2,2 = cosu, = cosy;

v = arshd), u = arccos£,2, y = arccos%3; (19)

z + iR = id sin (u - iv),

искажающих конформность метрики. Константа d при этом может быть обращена в единицу, что эквивалентно изменению масштабов по осям г, R в d раз.

Бисферические и тороидальные координаты получаются в результате вращения вокруг оси г системы u,v с конформной метрикой и переходов, аналогичных (19).

В первом случае имеем

v + i (п + u) 2

5i = sign(l + R2 -z2), S2 = sign(1 + z);

(' + R2)

z2-I

cos u = -S'

chv =

(1+R2)

4R 2z2

z2 +

lz2 - (1 + R2)]2

2 2

4R Zz

Тороидальные координаты определяются соотношениями

v - i (п + u) 2

z + iR = iath

a sin u chv - cos u

h2 =

R =

ashv

chv - cos u

(chv - cos u)

u = -

S2 (1 - S1) + 1 2

n + arctg

2rcos 6

1 2 , 1 - r

v = 1ln ( + R)2 + z2.

(21)

2 (1 - R)2 + z2'

1

S1 = sign1 - r 2, S2 = signz;

1 - R2

cos u = -s

2

1 - r

chv =

1 - r2) + 4z2 1 + r2

z = ■

z + iR = ath

ashv chv - cos u

h2 =•

(20)

(1 - г2)2 + 4г2

Константы а, как и в (19), могут быть приняты равными единице.

В плоском случае вместо (20), (21) получаем биполярные координаты

х + /у = лъ (^),

X = ■

a shv

R =

a sin u chv - cos u

chv + cos u h2 =

, У =

a sinu

chv + cos u

(chv + cos u)

u =

S2 С - S1) _ 1 2

(chv - cos u) n + arctg

R = a

sh

2Rz

2v + sin2u, v = arctg sin u

2

z _

(1+R2)

chv + cos u

u = arth

shv

(22)

1, (1 + z)2 + R2

v = - ln^---

2ax

\

2 , 2 , 2 a + x + y у

(1 _ z2) + R2'

' Маркировка координатных поверхностей на рисунках в [7] проведена для координат и, V.

V = аг^| 2 2у-2

у а - х - у

а системы (12), (14), (15), (17) переходят в системы на декартовой плоскости (х, у) при замене

2

a

2

a

2

a

2

г ^ х, R ^ у, превращаясь в декартову, параболическую, полярную и эллиптическую системы с Н3 = 1.

В постановке [8] о системах координат с разделяющимися для одночастичного уравнения Шредингера переменными коэффициенты Ляме произвольной ортогональной системы должны были удовлетворять условиям евклидовости пространства (шесть тождеств Ляме). Для осе-симметричных систем (6) единственное нетривиальное тождество

д2 lnh2 + д2 ln h2 _ о

3u2 dv2

(23)

Ф

= Vchv - cos u Ф.

(24)

Для векторного потенциала необходимо выполнить другой переход:

A =

Ф

Vch v - cos u

(25)

Линейность уравнения (1) позволяет рассматривать для образующих векторный потенциал функций комплексные решения:

А = и(и)У(V)' и = и1 + Ю2, V = V + 1У2. (26)

Физический смысл при этом имеют действительная и мнимая части произведения ЦУ:

A = U- (u)V- (v) - U2 (u)V2 (v), A = U- (u)V2 (v) + U2 (u)V- (v).

(27)

Если обе функции Ц, V комплексные, то решение (27) имеет новую структуру. Примеры подобного рода приведены ниже для сферических, сфероидальных, бисферических и тороидальных координат.

Аддитивное разделение. Аддитивное разделение переменных в уравнении (8) возможно при

ln R = U (u) + V (v).

(28)

Из проведенного рассмотрения видно, что это свойство на основании (9) имеет место в тех же системах, которые допускают мультипликативное разделение переменных.

Параметры потока. В цилиндрической системе г, R параметры потока определены соотношениями

A R'

2ф :

1

Р =

R2

Hr =-

H =

Al

R2'

.Af A

dR L R

1 dA

(29)

(дА )2 (дА" Ш/ [дг,

1 д

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком