पारस्परिकता (विद्युत चुंबकत्व)

This article is about शास्त्रीय विद्युत चुंबकत्व में पारस्परिकता प्रमेय. For असंबंधित पारस्परिकता प्रमेय, see पारस्परिकता प्रमेय (बहुविकल्पी). For शब्द का अधिक सामान्य उपयोग, see पारस्परिकता (बहुविकल्पी).

मौलिक विद्युत चुंबकत्व में पारस्परिकता विभिन्न प्रकार के संबंधित प्रमेयों को संदर्भित करती है जिसमें कुछ बाधाओं के अनुसार समय-अपरिवर्तनीय रैखिक मीडिया के लिए मैक्सवेल के समीकरणों में समय-हार्मोनिक (गणित) प्रवाह घनत्व (स्रोत) और परिणामी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के आदान-प्रदान सम्मिलित होते हैं। पारस्परिकता विद्युत चुंबकत्व पर प्रयुक्त रैखिक बीजगणित से सममित हर्मिटियन ऑपरेटर की अवधारणा से निकटता से संबंधित है।

संभवतः सबसे सामान्य और सामान्य प्रमेय लोरेंत्ज़ पारस्परिकता (और इसके विभिन्न विशेष स्थितियों जैसे कि रेले-कार्सन पारस्परिकता) है, जिसका नाम 1896 में हेंड्रिक लोरेंत्ज़ के काम के आधार पर रखा गया था, जो लॉर्ड रेले द्वारा ध्वनि और हेल्महोल्ट्ज़ द्वारा प्रकाश के संबंध में समान परिणामों के बाद रखा गया था (पॉटन, 2004) . शिथिल रूप से यह बताता है कि एक दोलन धारा और परिणामी विद्युत क्षेत्र के बीच संबंध अपरिवर्तित रहता है यदि कोई उन बिंदुओं को आपस में बदल देता है जहां वर्तमान रखा गया है और जहां क्षेत्र को मापा जाता है। विद्युत नेटवर्क के विशिष्ट स्थितियों के लिए इसे कभी-कभी इस कथन के रूप में प्रस्तुत किया जाता है कि नेटवर्क में विभिन्न बिंदुओं पर वोल्टेज और धाराओं को आपस में बदला जा सकता है। अधिक तकनीकी रूप से यह इस प्रकार है कि पहले परिपथ की दूसरे के कारण पारस्परिक प्रतिबाधा पहले के कारण दूसरे परिपथ की पारस्परिक प्रतिबाधा के समान है।

प्रकाशिकी में पारस्परिकता उपयोगी है जिसे (क्वांटम प्रभावों के अतिरिक्त ) मौलिक विद्युत चुंबकत्व के साथ-साथ रेडियोमेट्री के संदर्भ में भी व्यक्त किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोस्टाटिक्स में एक अनुरूप प्रमेय भी है, जिसे ग्रीन की पारस्परिकता के रूप में जाना जाता है जो विद्युत क्षमता और विद्युत आवेश घनत्व के आदान-प्रदान से संबंधित है।

पारस्परिक प्रमेय के रूपों का उपयोग कई विद्युत चुम्बकीय अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे विद्युत नेटवर्क और एंटीना (रेडियो) प्रणाली का विश्लेषण करना है।

उदाहरण के लिए पारस्परिकता का तात्पर्य है कि एंटेना ट्रांसमीटर या रिसीवर के रूप में समान रूप से अच्छी तरह से काम करते हैं, और विशेष रूप से यह कि एंटीना का विकिरण प्रतिरूप समान होता है। पारस्परिकता भी मूलभूत लेम्मा है जिसका उपयोग विद्युत चुम्बकीय प्रणालियों के बारे में अन्य प्रमेयों को सिद्ध करने के लिए किया जाता है, जैसे कि प्रतिबाधा मापदंडों की समरूपता और प्रकीर्णन पैरामीटर, क्षणों की विधि (विद्युत चुम्बकीय) में उपयोग के लिए ग्रीन के कार्यों की समरूपता या सीमा-तत्व और स्थानांतरण-आव्युह कम्प्यूटेशनल विधि साथ ही तरंगमार्गदर्शक प्रणाली में हार्मोनिक मोड के ओर्थोगोनालिटी गुण (उन गुणों को सीधे आइगेनवेल्यू, ईजेनवेक्टर और ईजेन-ऑपरेटर्स की समरूपता से सिद्ध करने के विकल्प के रूप में) है ।

लोरेंत्ज़ पारस्परिकता

विशेष रूप से, मान लीजिए कि किसी के पास एक वर्तमान घनत्व $\mathbf {J} _{1}$ है जो एक विद्युत क्षेत्र $\mathbf {E} _{1}$ और एक चुंबकीय क्षेत्र $\mathbf {H} _{1}\,,$ उत्पन्न करता है जहां तीनों कोणीय आवृत्ति के साथ समय के आवधिक कार्य हैं ω, और विशेष रूप से उनके पास समय-निर्भरता $\exp(-i\omega t)\,.$ है। मान लीजिए कि हमारे पास समान आवृत्ति ω पर एक दूसरा वर्तमान $\mathbf {J} _{2}$ है जो (स्वयं) क्षेत्र उत्पन्न करता है जो $\mathbf {E} _{2}$ और $\mathbf {H} _{2}\,.$ लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय तब बताता है, नीचे वर्णित माध्यम की सामग्रियों पर कुछ सरल नियमो के अनुसार एक मनमानी सतह S के लिए जो वॉल्यूम V को घेरता है :

$\int _{V}\left[\mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\right]\mathrm {d} V=\oint _{S}\left[\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}-\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}\right]\cdot \mathbf {\mathrm {d} S} \ .$

समतुल्य रूप से, विभेदक रूप में (विचलन प्रमेय द्वारा):

$\mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}=\nabla \cdot \left[\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}-\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}\right]\ .$

यह सामान्य प्रपत्र सामान्यतः कई विशेष स्थितियों के लिए सरलीकृत किया जाता है। विशेष रूप से, सामान्यतः कोई यह मानता है कि $\ \mathbf {J} _{1}\$ और $\mathbf {J} _{2}$ स्थानीयकृत हैं (अर्थात उनके पास कॉम्पैक्ट समर्थन है), और यह कि अनंत दूर से आने वाली कोई तरंगें नहीं हैं। इस स्थितियों में यदि कोई पूरे स्थान में एकीकृत होता है तो सतह-अभिन्न शब्द समाप्त हो जाते हैं (नीचे देखें) और उसे प्राप्त होता है:

$\int \mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}\,\mathrm {d} V=\int \mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\,\mathrm {d} V\ .$

इस परिणाम (निम्नलिखित सरलीकरणों के साथ) को कभी-कभी रेले-कार्सन पारस्परिकता प्रमेय कहा जाता है, ध्वनि तरंगों पर लॉर्ड रेले के काम और जॉन आर. कार्सन (1924; 1930) द्वारा आकाशवाणी आवृति एंटेना के अनुप्रयोगों के लिए विस्तार के बाद अधिकांशतः बिंदु-जैसे द्विध्रुव स्रोतों पर विचार करके इस संबंध को और सरल करता है, जिस स्थिति में अभिन्न अदृश्य हो जाते हैं और किसी के पास विद्युत क्षेत्र का गुणनफल होता है जो धाराओं के संगत द्विध्रुव क्षणों के साथ होता है। या, नगण्य मोटाई के तारों के लिए, तार में प्रयुक्त धारा को दूसरे में परिणामी वोल्टेज से गुणा किया जाता है और इसके विपरीत; नीचे भी देखें।

लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय का एक और विशेष स्थिति तब प्रयुक्त होता है जब वॉल्यूम V में पूरी तरह से दोनों स्थानीयकृत स्रोत सम्मिलित होते हैं (या वैकल्पिक रूप से यदि V किसी भी स्रोत को नहीं काटता है)। इस स्थितियों में:

$\ \oint _{S}(\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\cdot \mathbf {\mathrm {d} S} =\oint _{S}(\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1})\cdot \mathbf {\mathrm {d} S} \ .$

विद्युत नेटवर्क के लिए पारस्परिकता

See also: पारस्परिकता (विद्युत नेटवर्क)

ऊपर लोरेंत्ज़ पारस्परिकता को बाहरी रूप से प्रयुक्त वर्तमान स्रोत और परिणामी क्षेत्र के संदर्भ में अभिव्यक्त किया गया था। अधिकांशतः विशेष रूप से विद्युत नेटवर्क के लिए, इसके अतिरिक्त बाहरी रूप से प्रयुक्त वोल्टेज और परिणामी धाराओं के बारे में सोचना पसंद करते हैं। लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय इस स्थितियों का भी वर्णन करता है, ओम के नियम को मानते हुए (अर्थात धाराएँ जो प्रयुक्त क्षेत्र में रैखिक रूप से प्रतिक्रिया करती हैं) 3 × 3 विद्युत चालकता आव्युह के साथ σ जिसे सममित आव्युह होना आवश्यक है, जो नीचे दी गई अन्य स्थितियों से निहित है। इस स्थिति का ठीक से वर्णन करने के लिए बाहरी रूप से प्रयुक्त क्षेत्रों (ड्राइविंग वोल्टेज से) और परिणामी कुल क्षेत्रों (किंग, 1963) के बीच सावधानीपूर्वक अंतर करना चाहिए।

अधिक विशेष रूप से ऊपर दिए गए $\ \mathbf {J} \$ में केवल मैक्सवेल के समीकरणों में सम्मिलित किए गए बाहरी "स्रोत" शब्द सम्मिलित हैं। अब हम इसे बाहरी स्रोत और सामग्रियों में परिणामी विद्युत क्षेत्रों द्वारा उत्पादित कुल धारा से अलग करने के लिए इसे $\ \mathbf {J} ^{(e)}\$ द्वारा निरूपित करते हैं। यदि यह बाहरी धारा चालकता σ वाले पदार्थ में है, तो यह बाहरी रूप से प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र $\ \mathbf {E} ^{(e)}\$ से मेल खाती है, जहां, σ की परिभाषा के अनुसार:

$\ \mathbf {J} ^{(e)}=\sigma \mathbf {E} ^{(e)}\ .$

इसके अतिरिक्त उपरोक्त विद्युत क्षेत्र $\mathbf {E}$ में केवल इस धारा की प्रतिक्रिया सम्मिलित थी और इसमें "बाहरी" क्षेत्र $\ \mathbf {E} ^{(e)}\ .$ सम्मिलित नहीं था। इसलिए, अब हम पहले से क्षेत्र को निरूपित करते हैं $\ \mathbf {E} ^{(r)}\ ,$ के रूप में जहां कुल क्षेत्र $\ \mathbf {E} =\mathbf {E} ^{(e)}+\mathbf {E} ^{(r)}\ .$ द्वारा दिया जाता है।

अब, लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय के बायीं ओर के समीकरण को σ बाहरी वर्तमान शब्द $\mathbf {J} ^{(e)}$से प्रतिक्रिया क्षेत्र नियमो $\ \mathbf {E} ^{(r)}\ ,$में ले जाकर और एक $\ \sigma \mathbf {E} _{1}^{(e)}\mathbf {E} _{2}^{(e)}\$ शब्द जोड़कर और घटाकर फिर से लिखा जा सकता है। बाहरी क्षेत्र को कुल धारा $\ \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} \ :$ से गुणा करके प्राप्त किया जाता है

${\begin{aligned}&\int _{V}\left[\mathbf {J} _{1}^{(e)}\cdot \mathbf {E} _{2}^{(r)}-\mathbf {E} _{1}^{(r)}\cdot \mathbf {J} _{2}^{(e)}\right]\operatorname {d} V\\={}&\int _{V}\left[\sigma \mathbf {E} _{1}^{(e)}\cdot \left(\mathbf {E} _{2}^{(r)}+\mathbf {E} _{2}^{(e)}\right)-\left(\mathbf {E} _{1}^{(r)}+\mathbf {E} _{1}^{(e)}\right)\cdot \sigma \mathbf {E} _{2}^{(e)}\right]\operatorname {d} V\\={}&\int _{V}\left[\mathbf {E} _{1}^{(e)}\cdot \mathbf {J} _{2}-\mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}^{(e)}\right]\operatorname {d} V\ .\end{aligned}}$

पतले तारों की सीमा के लिए, यह बाहरी रूप से प्रयुक्त वोल्टेज (1) के परिणामस्वरूप परिणामी कुल वर्तमान (2) और इसके विपरीत गुणा करता है। विशेष रूप से, रेले-कार्सन पारस्परिकता प्रमेय साधारण योग बन जाता है:

$\ \sum _{n}{\mathcal {V}}_{1}^{(n)}I_{2}^{(n)}=\sum _{n}{\mathcal {V}}_{2}^{(n)}I_{1}^{(n)}$

जहां$\ {\mathcal {V}}\$ और I वोल्टेज के दो संभावित सेटों के लिए परिपथ तत्वों (n द्वारा अनुक्रमित) के एक समुच्चय में क्रमशः एसी प्रयुक्त वोल्टेज $\ {\mathcal {V}}_{1}\$ और $\ {\mathcal {V}}_{2}\ .$ और परिणामी धाराओं के जटिल आयामों को दर्शाता है

सामान्यतः इसे उस स्थिति में और सरल बनाया जाता है जहां प्रत्येक प्रणाली में एक एकल वोल्टेज स्रोत होता है $\ {\mathcal {V}}_{\text{s}}\ ,$ पर $\ {\mathcal {V}}_{1}^{(1)}={\mathcal {V}}_{\text{s}}\$ और $\ {\mathcal {V}}_{2}^{(2)}={\mathcal {V}}_{\text{s}}\ .$ तब प्रमेय सरल हो जाता है

$I_{1}^{(2)}=I_{2}^{(1)}$

या शब्दों में:

(2) पर वोल्टेज से स्थिति (1) पर वर्तमान, (1) पर समान वोल्टेज से (2) पर वर्तमान के समान है।

लोरेंत्ज़ पारस्परिकता की नियम और प्रमाण

लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय केवल इस तथ्य का प्रतिबिंब है कि रैखिक संकारक नाम $\operatorname {\hat {O}}$ एक निश्चित आवृत्ति $\omega$ (रैखिक मीडिया में) पर $\mathbf {J}$ और $\mathbf {E}$ से संबंधित है:

$$\mathbf {J} =\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E}$$

जहां

$$\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} \equiv {\frac {1}{i\omega }}\left[{\frac {1}{\mu }}\left(\nabla \times \nabla \times \right)-\;\omega ^{2}\varepsilon \right]\mathbf {E}$$

सामान्यतः सदिश क्षेत्र $\mathbf {F}$ और $\mathbf {G} \ .$ के लिए "आंतरिक उत्पाद" ${\textstyle (\mathbf {F} ,\mathbf {G} )=\int \mathbf {F} \cdot \mathbf {G} \,\mathrm {d} V}$ के अनुसार एक सममित ऑपरेटर होता है।

(तकनीकी रूप से यह असंयुग्मित रूप एक सच्चा आंतरिक उत्पाद नहीं है क्योंकि यह जटिल-मूल्य वाले क्षेत्रों के लिए वास्तविक-मूल्यवान नहीं है, किन्तु यह यहां कोई समस्या नहीं है। इस अर्थ में, ऑपरेटर वास्तव में हर्मिटियन नहीं है, किंतु जटिल-सममित है। ) यह सच है जब भी दिए गए ω पर परमिटिटिविटी ε और चुंबकीय पारगम्यता μ, सममित 3×3 आव्युह (सममित रैंक -2 टेंसर) हैं - इसमें सामान्य स्थिति सम्मिलित है जहां वे स्केलर हैं (आइसोट्रोपिक मीडिया के लिए), निश्चित रूप से उन्हें वास्तविक होने की आवश्यकता नहीं है - जटिल मान हानि वाली सामग्रियों से मेल खाते हैं, जैसे परिमित चालकता वाले चालक σ (जो ε में $\varepsilon \rightarrow \varepsilon +i\sigma /\omega \$ के माध्यम से सम्मिलित है) - और इस वजह से, पारस्परिकता प्रमेय के लिए समय उत्क्रमण अपरिवर्तनीयता की आवश्यकता नहीं होती है। सममित ε और μ आव्यूहों की स्थिति लगभग सदैव संतुष्ट होती है; अपवाद के लिए नीचे देखें.

किसी आंतरिक उत्पाद $(f,g)\!$ के अनुसार किसी भी हर्मिटियन ऑपरेटर $\operatorname {\hat {O}}$ के लिए, हमारे पास $(f,\operatorname {\hat {O}} g)=(\operatorname {\hat {O}} f,g)$ परिभाषा के अनुसार, और रेले-कार्सन पारस्परिकता प्रमेय इस विशेष ऑपरेटर के लिए इस कथन का सदिश संस्करण मात्र $\mathbf {J} =\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} \ :$ है अर्थात,$(\mathbf {E} _{1},\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} _{2})=(\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} _{1},\mathbf {E} _{2})\ .$ यहां ऑपरेटर की हर्मिटियन संपत्ति भागों द्वारा एकीकरण द्वारा प्राप्त की जा सकती है। एक परिमित एकीकरण आयतन के लिए, भागों द्वारा इस एकीकरण से सतह शब्द उपरोक्त अधिक सामान्य सतह-अभिन्न प्रमेय उत्पन्न करते हैं। विशेष रूप से, मुख्य तथ्य यह है कि, सदिश क्षेत्र $\mathbf {F}$ और $\mathbf {G} \ ,$ के लिए सतह S से घिरे वॉल्यूम V पर भागों (या विचलन प्रमेय) द्वारा एकीकरण पहचान देता है:

$$\int _{V}\mathbf {F} \cdot (\nabla \times \mathbf {G} )\,\mathrm {d} V\equiv \int _{V}(\nabla \times \mathbf {F} )\cdot \mathbf {G} \,\mathrm {d} V-\oint _{S}(\mathbf {F} \times \mathbf {G} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} \ .$$

फिर इस पहचान को $(\mathbf {E} _{1},\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} _{2})$ पर दो बार प्रयुक्त किया जाता है, जिससे कि $(\operatorname {\hat {O}} \mathbf {E} _{1},\mathbf {E} _{2})$ प्लस सतह शब्द, लोरेंत्ज़ पारस्परिकता संबंध देता है।

मैक्सवेल के समीकरणों और सदिश संचालन का उपयोग करते हुए लोरेंज पारस्परिकता की नियम और प्रमाण

हम लोरेन्ज़ के कारण विद्युत चुम्बकीय पारस्परिकता प्रमेय का एक सामान्य रूप सिद्ध करेंगे जो बताता है कि क्षेत्र $\mathbf {E} _{1},\mathbf {H} _{1}$ और $\mathbf {E} _{2},\mathbf {H} _{2}$ एक ही आवृत्ति के क्रमशः दो अलग-अलग साइनसोइडल वर्तमान घनत्वों $\mathbf {J} _{1}$ और $\mathbf {J} _{2}$ द्वारा उत्पन्न, नियम को पूरा करते हैं

$$\int _{V}\left[\mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\right]\mathrm {d} V=\oint _{S}\left[\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}-\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}\right]\cdot \mathbf {\mathrm {d} S} .$$

आइए ऐसा क्षेत्र लें जिसमें परावैद्युतांक और पारगम्यता स्थिति के फलन हो सकते हैं किन्तु समय के नहीं। मैक्सवेल के समीकरण, क्षेत्र के कुल क्षेत्रों, धाराओं और आवेशों के संदर्भ में लिखे गए क्षेत्र के विद्युत चुम्बकीय व्यवहार का वर्णन करते हैं। दो कर्ल समीकरण हैं:

$${\begin{array}{ccc}\nabla \times \mathbf {E} &=&-{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {B} \ ,\\\nabla \times \mathbf {H} &=&\mathbf {J} +{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {D} \ .\end{array}}$$

स्थिर निरंतर आवृत्ति स्थितियों के अनुसार हम समय-आवधिक स्थितियों के लिए मैक्सवेल के समीकरण दो कर्ल समीकरणों से प्राप्त करते हैं:

$${\begin{array}{ccc}\nabla \times \mathbf {E} &=&-j\omega \mathbf {B} \ ,\\\nabla \times \mathbf {H} &=&\mathbf {J} +j\omega \mathbf {D} \ .\end{array}}$$

यह माना जाना चाहिए कि इस लेख के समीकरणों में प्रतीक $e^{j\omega t}$ के जटिल गुणकों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो चुने हुए संदर्भ के संबंध में इन-फेज और आउट-ऑफ-फेज भाग देते हैं। $e^{j\omega t}$के जटिल सदिश गुणकों को जटिल अदिश मात्राओं के अनुरूप सदिश चरण कहा जा सकता है, जिन्हें सामान्यतः चरण कहा जाता है।

सदिश संचालन की समानता यह दर्शाती है

$$\mathbf {H} \cdot (\nabla \times \mathbf {E} )-\mathbf {E} \cdot (\nabla \times \mathbf {H} )=\nabla \cdot (\mathbf {E} \times \mathbf {H} )$$

प्रत्येक सदिश के लिए $\mathbf {E}$ और $\mathbf {H} \ .$ यदि हम इस समानता को प्रयुक्त करते हैं $\mathbf {E} _{1}$ और $\mathbf {H} _{2}$ हम पाते हैं:

$$\mathbf {H} _{2}\cdot (\nabla \times \mathbf {E} _{1})-\mathbf {E} _{1}\cdot (\nabla \times \mathbf {H} _{2})=\nabla \cdot (\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\ .$$

यदि समय-आवधिक समीकरणों में उत्पादों को इस अंतिम तुल्यता द्वारा दर्शाए अनुसार लिया जाता है, और जोड़ा जाता है,

$$-\mathbf {H} _{2}\cdot j\omega \mathbf {B} _{1}-\mathbf {E} _{1}\cdot j\omega \mathbf {D} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}=\nabla \cdot (\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\ .$$

इसे अब चिंता की मात्रा पर एकीकृत किया जा सकता है,

$$\int _{V}\left(\mathbf {H} _{2}\cdot j\omega \mathbf {B} _{1}+\mathbf {E} _{1}\cdot j\omega \mathbf {D} _{2}+\mathbf {E} _{1}\mathbf {J} _{2}\right)\mathrm {d} V=-\int _{V}\nabla \cdot (\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\mathrm {d} V\ .$$

विचलन प्रमेय से $\operatorname {div} (\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})$का आयतन समाकलन के सतह समाकलन के समान होता है $\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}$ सीमा के पार।

$$\int _{V}\left(\mathbf {H} _{2}\cdot j\omega \mathbf {B} _{1}+\mathbf {E} _{1}\cdot j\omega \mathbf {D} _{2}+\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\right)\mathrm {d} V=-\oint _{S}(\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\cdot {\widehat {\mathrm {d} S}}\ .$$

यह फॉर्म सामान्य मीडिया के लिए मान्य है, किन्तु रैखिक आइसोट्रोपिक समय-अपरिवर्तनीय सामग्रियों के सामान्य स्थितियों में, ε समय से स्वतंत्र एक अदिश राशि है। फिर सामान्यतः भौतिक परिमाण $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E}$ और $\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} \ .$ के रूप में उपयोग किया जता है । अंतिम समीकरण तब बन जाता है

$$\int _{V}\left(\mathbf {H} _{2}\cdot j\omega \mu \mathbf {H} _{1}+\mathbf {E} _{1}\cdot j\omega \epsilon \mathbf {E} _{2}+\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\right)\mathrm {d} V=-\oint _{S}(\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2})\cdot {\widehat {\mathrm {d} S}}\ .$$

सदिशों के लिए बिल्कुल समान विधि से हम प्राप्त करते हैं $\mathbf {E} _{2}$ और $\mathbf {H} _{1}$ निम्नलिखित अभिव्यक्ति:

$$\int _{V}\left(\mathbf {H} _{1}\cdot j\omega \mu \mathbf {H} _{2}+\mathbf {E} _{2}\cdot j\omega \epsilon \mathbf {E} _{1}+\mathbf {E} _{2}\cdot \mathbf {J} _{1}\right)\operatorname {d} V=-\oint _{S}(\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1})\cdot {\widehat {\mathrm {d} S}}\ .$$

सदस्यों द्वारा अंतिम दो समीकरणों को घटाने पर हमें प्राप्त होता है

$$\int _{V}\left[\mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\right]\operatorname {d} V=\oint _{S}\left[\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}-\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}\right]\cdot \mathbf {\mathrm {d} S} \ .$$

और समान रूप से विभेदक रूप में

$$\ \mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}-\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}=\nabla \cdot \left[\mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}-\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}\right]\$$
 Q.E.D.

सतह-अवधि निरस्तीकरण

संपूर्ण स्थान पर एकीकरण के लिए, लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय के दाईं ओर की सतह की नियमो को समाप्त करना पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है, किन्तु इसे कई विधियों से प्राप्त किया जा सकता है। सतही अभिन्न का कठोर उपचार तरंग क्षेत्र के परस्पर क्रिया के कारण को ध्यान में रखता है: अनंत पर सतह-अभिन्न योगदान केवल दो कारण तरंग क्षेत्रों के समय-संक्रमण के लिए अदृश्य हो जाता है (समय-सहसंबंध बातचीत गैर-शून्य योगदान की ओर जाता है)

एक और सरल तर्क यह होगा कि स्थानीय स्रोत के लिए क्षेत्र अनंत पर शून्य हो जाती है, किन्तु दोषरहित मीडिया के स्थितियों में यह तर्क विफल हो जाता है: अवशोषण की अनुपस्थिति में, विकिरणित क्षेत्र दूरी के साथ विपरीत रूप से क्षय हो जाते हैं, किन्तु अभिन्न का सतह क्षेत्र बढ़ जाता है दूरी के वर्ग के साथ, इसलिए दोनों दरें अभिन्न में एक दूसरे को संतुलित करती हैं।

इसके अतिरिक्त यह मान लेना सामान्य बात है (उदाहरण के लिए किंग, 1963) कि माध्यम सजातीय है और पर्याप्त रूप से दूर आइसोट्रोपिक है। इस स्थितियों में, विकिरणित क्षेत्र स्पर्शोन्मुख रूप से रेडियल रूप से बाहर की ओर फैलने वाले समतल तरंगों का रूप ले लेता है $\operatorname {\hat {O}} {\mathbf {r} }$दिशा में $\operatorname {\hat {O}} {\mathbf {r} }\cdot \mathbf {E} =0$ और $\mathbf {H} ={\hat {\mathbf {r} }}\times \mathbf {E} /Z$ जहां Z आसपास के माध्यम का अदिश प्रतिबाधा ${\textstyle {\sqrt {\mu /\epsilon }}}$ है . फिर यह इस प्रकार है $\ \mathbf {E} _{1}\times \mathbf {H} _{2}={\frac {\mathbf {E} _{1}\times {\hat {\mathbf {r} }}\times \mathbf {E} _{2}}{Z}}\ ,$ जो एक साधारण सदिश पहचान द्वारा समान होता है ${\frac {\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}}{Z}}\ {\hat {\mathbf {r} }}\ .$ इसी प्रकार, $\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}={\frac {\mathbf {E} _{2}\cdot \mathbf {E} _{1}}{Z}}\ {\hat {\mathbf {r} }}$ और दो पद एक दूसरे को समाप्त करते हैं।

उपरोक्त तर्क स्पष्ट रूप से दिखाता है कि सतह की नियम क्यों समाप्त हो सकती हैं, किन्तु इसमें व्यापकता का अभाव है। वैकल्पिक रूप से, कोई दोषरहित आसपास के मीडिया के स्थितियों को सीमित अवशोषण सिद्धांत के माध्यम से लगाए गए विकिरण सीमा नियमो के साथ इलाज कर सकता है: सीमा को हानि के रूप में लेना (काल्पनिक भाग ε) शून्य पर जाएं किसी भी गैर-शून्य हानि के लिए, क्षेत्र दूरी के साथ तेजी से क्षय होता है और सतह अभिन्न अदृश्य हो जाती है, तथापि माध्यम सजातीय हो। चूंकि लोरेंत्ज़ पारस्परिकता प्रमेय का बायां हाथ किसी भी गैर-शून्य हानि के साथ सभी जगहों पर एकीकरण के लिए अदृश्य हो जाता है इसलिए इसे सीमा में भी अदृश्य हो जाना चाहिए क्योंकि हानि शून्य हो जाता है। (ध्यान दें कि यह दृष्टिकोण अनंत से शून्य आने वाली तरंगों की सोमरफेल्ड विकिरण स्थिति को स्पष्ट रूप से प्रयुक्त करता है, क्योंकि अन्यथा असीम हानि भी आने वाली तरंगों को समाप्त कर देगा और सीमा दोषरहित समाधान नहीं देगी।)

पारस्परिकता और ग्रीन का कार्य

ऑपरेटर का व्युत्क्रम $\operatorname {\hat {O}} \ ,$ अर्थात, $\mathbf {E} =\operatorname {\hat {O}} ^{-1}\mathbf {J}$ (जिसके लिए दोषरहित प्रणाली में अनंत पर सीमा स्थितियों के विनिर्देशन की आवश्यकता होती है), इसमें $\operatorname {\hat {O}}$ समान समरूपता होती है और यह अनिवार्य रूप से एक ग्रीन फलन कनवल्शन है। तो, लोरेंत्ज़ पारस्परिकता पर एक और परिप्रेक्ष्य यह है कि यह इस तथ्य को दर्शाता है कि विद्युत चुम्बकीय ग्रीन के फलन के साथ कनवल्शन ε और μ पर उपयुक्त परिस्थितियों के तहत एक जटिल-सममित (या नीचे एंटी-हर्मिटियन) रैखिक ऑपरेशन है। अधिक विशेष रूप से, ग्रीन के फलन को $G_{nm}(\mathbf {x} ',\mathbf {x} )$ के रूप में लिखा जा सकता है, जो $\mathbf {E}$ का n-वां घटक देता है। एक बिंदु द्विध्रुवीय धारा से m-वें दिशा में $\mathbf {x}$ पर (अनिवार्य रूप से, $G$ आव्यूह तत्वों को देता है $\operatorname {\hat {O}} ^{-1}$और रेले-कार्सन पारस्परिकता इस कथन के समतुल्य है कि $G_{nm}(\mathbf {x} ',\mathbf {x} )=G_{mn}(\mathbf {x} ,\mathbf {x} ')\ .$ भिन्न $\operatorname {\hat {O}} \ ,$ ग्रीन के कार्य के लिए स्पष्ट सूत्र देना सामान्यतः संभव नहीं है (विशेष स्थितियों जैसे सजातीय मीडिया को छोड़कर), किन्तु यह संख्यात्मक विधियों से नियमित रूप से गणना की जाती है।

दोषरहित मैग्नेटो-ऑप्टिक सामग्री

जिसमें स्थिति ε चुंबक ऑप्टिक सामग्रियों के लिए सममित आव्युह नहीं है, जिस स्थिति में लोरेंत्ज़ पारस्परिकता का सामान्य कथन नहीं है (चूंकि , सामान्यीकरण के लिए नीचे देखें)। यदि हम मैग्नेटो-ऑप्टिक सामग्री की अनुमति देते हैं, किन्तु खुद को उस स्थिति तक सीमित रखते हैं जहां सामग्री का अवशोषण नगण्य है, तो ε और μ सामान्य रूप से 3×3 जटिल हर्मिटियन मेट्रिसेस हैं। इस स्थितियों में, ऑपरेटर ${\textstyle \ {\frac {1}{\mu }}\left(\nabla \times \nabla \times \right)-{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}\varepsilon }$ संयुग्मित आंतरिक उत्पाद के अनुसार हर्मिटियन है ${\textstyle (\mathbf {F} ,\mathbf {G} )=\int \mathbf {F} ^{*}\cdot \mathbf {G} \,\mathrm {d} V\ ,}$ और पारस्परिकता प्रमेय का प्रकार अभी भी रखती है:

$$-\int _{V}\left[\mathbf {J} _{1}^{*}\cdot \mathbf {E} _{2}+\mathbf {E} _{1}^{*}\cdot \mathbf {J} _{2}\right]\mathrm {d} V=\oint _{S}\left[\mathbf {E} _{1}^{*}\times \mathbf {H} _{2}+\mathbf {E} _{2}\times \mathbf {H} _{1}^{*}\right]\cdot \mathbf {\mathrm {d} A}$$

जहां उपरोक्त समीकरण में चिह्न परिवर्तन ${\frac {1}{i\omega }}$ से आता है, जो ऑपरेटर को हर्मिटियन विरोधी (सतह शब्दों की उपेक्षा) बनाता है। $\mathbf {J} _{1}=\mathbf {J} _{2}\ ,$ के विशेष स्थितियों के लिए यह ऊर्जा के संरक्षण या पोयंटिंग के प्रमेय का पुनः कथन देता है (क्योंकि यहाँ हमने दोषरहित सामग्री ग्रहण की है, ऊपर के विपरीत): वर्तमान द्वारा किए गए कार्य की समय-औसत दर ($-\mathbf {J} ^{*}\cdot \mathbf {E}$ के वास्तविक भाग द्वारा दी गई) शक्ति के समय-औसत बाहरी प्रवाह के समान है (पोयंटिंग सदिश का अभिन्न अंग) ही टोकन के द्वारा चूंकि सतही शब्द सामान्य रूप से अदृश्य नहीं होते हैं यदि कोई इस पारस्परिक रूपांतर के लिए सभी जगहों को एकीकृत करता है, इसलिए रेले-कार्सन फॉर्म अतिरिक्त धारणाओं के बिना नहीं होता है।

तथ्य यह है कि मैग्नेटो-ऑप्टिक सामग्री रेले-कार्सन पारस्परिकता को तोड़ती है, फैराडे आइसोलेटर और सर्कुलेटर्स जैसे उपकरणों की कुंजी है। फैराडे आइसोलेटर के तरफ करंट दूसरी तरफ फील्ड उत्पन्न करता है किन्तु इसके विपरीत नहीं।

गैर-सममित सामग्री का सामान्यीकरण

हानिपूर्ण और मैग्नेटो-ऑप्टिक सामग्रियों के संयोजन के लिए, और सामान्यतः जब ε और μ टेंसर न तो सममित होते हैं और न ही हर्मिटियन मैट्रिसेस, तब भी लोरेंत्ज़ पारस्परिकता का सामान्यीकृत संस्करण प्राप्त कर सकते हैं। $(\mathbf {J} _{1},\mathbf {E} _{1})$ और $(\mathbf {J} _{2},\mathbf {E} _{2})$ विभिन्न प्रणालियों में उपस्थित होना है ।

विशेष रूप से, यदि $(\mathbf {J} _{1},\mathbf {E} _{1})$ सामग्री के साथ प्रणाली के लिए ω पर मैक्सवेल के समीकरणों को संतुष्ट करें $(\varepsilon _{1},\mu _{1})\ ,$ और $(\mathbf {J} _{2},\mathbf {E} _{2})$ मैक्सवेल के समीकरणों को संतुष्ट करें ω सामग्री के साथ प्रणाली के लिए $\left(\varepsilon _{1}^{\mathsf {T}},\mu _{1}^{\mathsf {T}}\right)\ ,$ जहां ${}^{\mathsf {T}}$ स्थानान्तरण को दर्शाता है, तो लोरेंत्ज़ पारस्परिकता का समीकरण धारण करता है। पूर्ण 6×6 संवेदनशीलता टेंसर को स्थानांतरित करके इसे द्वि-अनिसोट्रोपिक सामग्रियों के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है।

पारस्परिकता के अपवाद

गैर-रैखिक प्रकाशिकी के लिए, कोई पारस्परिकता प्रमेय सामान्यतः प्रयुक्त नहीं होता है। पारस्परिकता भी समय-भिन्न (सक्रिय) मीडिया के लिए सामान्यतः प्रयुक्त नहीं होती है; उदाहरण के लिए, कब ε किसी बाहरी प्रक्रिया द्वारा समय में संशोधित किया जाता है। (इन दोनों स्थितियों में, आवृत्ति ω सामान्यतः संरक्षित मात्रा नहीं है।)

फेल्ड-ताई पारस्परिकता

1992 में, निकट से संबंधित पारस्परिकता प्रमेय स्वतंत्र रूप से वाई.ए. द्वारा व्यक्त किया गया था। फेल्ड और सी.टी. ताई, और फेल्ड-ताई पारस्परिकता या फेल्ड-ताई लेम्मा के रूप में जाना जाता है। टी दो समय-हार्मोनिक स्थानीय वर्तमान स्रोतों और परिणामी चुंबकीय क्षेत्रों से संबंधित है:

$\int \mathbf {J} _{1}\cdot \mathbf {H} _{2}\,\operatorname {d} V=\int \mathbf {H} _{1}\cdot \mathbf {J} _{2}\,\operatorname {d} V\ .$

चूंकि फेल्ड-ताई लेम्मा लोरेंत्ज़ पारस्परिकता की तुलना में बहुत अधिक प्रतिबंधात्मक स्थितियों के अनुसार ही मान्य है। इसमें सामान्यतः समय-अपरिवर्तनीय रैखिक मीडिया की आवश्यकता होती है जिसमें आइसोटोपिक समरूप विद्युत प्रतिबाधा होती है, अर्थात निरंतर स्केलर (भौतिकी) μ/ε अनुपात, पूरी तरह से संचालन सामग्री के क्षेत्रों के संभावित अपवाद के साथ है ।

अधिक स्पष्ट रूप से, फेल्ड-ताई पारस्परिकता के लिए उपरोक्त विद्युत चुम्बकीय ऑपरेटरों की हर्मिटियन (या किंतु , जटिल-सममित) समरूपता की आवश्यकता होती है, किन्तु यह इस धारणा पर भी निर्भर करता है कि ऑपरेटर संबंधित है $\ \mathbf {E} \$ और $\ i\omega \mathbf {J} \$ संबंधित संकारक का स्थिर अदिश गुणक है $\ \mathbf {H} \$ और $\ \nabla \times (\mathbf {J} /\varepsilon )\ ,$ जो सच है जब ε का अचर अदिश गुणक है μ (दो ऑपरेटर सामान्यतः इंटरचेंज द्वारा भिन्न होते हैं ε और μ). ऊपर के रूप में, परिमित आयतन पर अभिन्न के लिए अधिक सामान्य सूत्रीकरण भी बना सकता है।

रेडियोधर्मी शब्दों में ऑप्टिकल पारस्परिकता

क्वांटल प्रभावों के अतिरिक्त, मौलिक सिद्धांत इच्छानुसार समय पाठ्यक्रम के साथ निकट-, मध्य- और दूर-क्षेत्र की विद्युत और चुंबकीय घटनाओं को सम्मिलित करता है। प्रकाशिकी दूर-क्षेत्र के लगभग-साइनसॉइडल दोलन विद्युत चुम्बकीय प्रभावों को संदर्भित करता है। युग्मित विद्युत और चुंबकीय चर के अतिरिक्त प्रकाशिकी ऑप्टिकल पारस्परिकता सहित, ध्रुवीकरण (तरंगों) -युग्मित रेडियोमेट्रिक चर, जैसे कि वर्णक्रमीय चमक, जिसे पारंपरिक रूप से विशिष्ट विकिरण तीव्रता कहा जाता है, में व्यक्त किया जा सकता है।

1856 में, हरमन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ ने लिखा:

"बिंदु A से चलने वाली प्रकाश की एक किरण कई प्रकार के अपवर्तन, परावर्तन आदि से गुजरने के बाद बिंदु B पर पहुंचती है। बिंदु A पर किन्हीं दो लंबवत विमानों a₁, a₂ को किरण की दिशा में ले जाने दें; और कंपन होने दें किरण को दो भागों में विभाजित किया जाए, इनमें से प्रत्येक तल में एक। बिंदु B पर किरण में समान समतल b₁ b₂ लें; तब निम्नलिखित प्रस्ताव प्रदर्शित किया जा सकता है। यदि जब समतल a₁ में ध्रुवित प्रकाश J की मात्रा A से आगे बढ़ती है दी गई किरण की दिशा में, b₁ में ध्रुवित प्रकाश का वह भाग K, B पर आता है, तो, इसके विपरीत, यदि b₁ में ध्रुवीकृत प्रकाश J की मात्रा B से आगे बढ़ती है, तो a₁ में ध्रुवीकृत प्रकाश K की समान मात्रा A पर पहुंचेगी। ।"

इसे कभी-कभी हेल्महोल्ट्ज़ पारस्परिकता (या प्रत्यावर्तन) सिद्धांत कहा जाता है। जब तरंग प्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र द्वारा क्रिया की गई सामग्री के माध्यम से फैलती है, तो पारस्परिकता को तोड़ा जा सकता है, इसलिए यह सिद्धांत प्रयुक्त नहीं होगा। इसी तरह, जब किरण के मार्ग में गतिमान वस्तुएँ होती हैं, तो सिद्धांत पूरी तरह से अनुपयुक्त हो सकता है। ऐतिहासिक रूप से, 1849 में, सर जॉर्ज स्टोक्स, प्रथम बैरोनेट ने ध्रुवीकरण में सम्मिलित हुए बिना अपने ऑप्टिकल प्रत्यावर्तन सिद्धांत को बताया था ।

ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांतों की तरह यह सिद्धांत प्रयोगों के सही प्रदर्शन पर जांच के रूप में उपयोग करने के लिए पर्याप्त विश्वसनीय है, सामान्य स्थिति के विपरीत जिसमें प्रयोग प्रस्तावित नियम के परीक्षण हैं।

सिद्धांत का सबसे सरल कथन यह है कि यदि मैं आपको देख सकता हूं, तो आप मुझे देख सकते हैं। इस सिद्धांत का उपयोग गुस्ताव किरचॉफ ने किरचॉफ के तापीय विकिरण के नियम की व्युत्पत्ति में और मैक्स प्लैंक ने प्लैंक के नियम के अपने विश्लेषण में किया था।

रे-ट्रेसिंग वैश्विक प्रकाश एल्गोरिदम के लिए, आने वाली और बाहर जाने वाली प्रकाश को द्विदिश प्रतिबिंब वितरण फलन (बीआरडीएफ) परिणाम को प्रभावित किए बिना एक-दूसरे के विपरीत माना जा सकता है।

ग्रीन की पारस्परिकता

जबकि उपरोक्त पारस्परिकता प्रमेय दोलनशील क्षेत्रों के लिए थे, ग्रीन की पारस्परिकता इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के लिए समान प्रमेय है जिसमें विद्युत आवेश का निश्चित वितरण होता है (पैनोफ़्स्की और फिलिप्स, 1962)।

विशेष रूप से, चलो $\phi _{1}$ कुल चार्ज घनत्व से उत्पन्न विद्युत क्षमता को निरूपित करें $\rho _{1}$. विद्युत विभव प्वासों के समीकरण को संतुष्ट करता है, $-\nabla ^{2}\phi _{1}=\rho _{1}/\varepsilon _{0}$, जहां $\varepsilon _{0}$ वैक्यूम परमिटिटिविटी है। इसी तरह, चलो $\phi _{2}$ कुल चार्ज घनत्व से उत्पन्न विद्युत क्षमता को निरूपित करें जो $\rho _{2}$, संतुष्टि देने वाला $-\nabla ^{2}\phi _{2}=\rho _{2}/\varepsilon _{0}$. दोनों ही स्थितियों में, हम मानते हैं कि चार्ज वितरण स्थानीयकृत हैं, जिससे संभावितों को अनंत पर शून्य पर जाने के लिए चुना जा सके। फिर, ग्रीन के पारस्परिकता प्रमेय में कहा गया है कि, सभी जगहों पर समाकलन के लिए:

$\int \rho _{1}\phi _{2}dV=\int \rho _{2}\phi _{1}\operatorname {d} V\ .$

यह प्रमेय ग्रीन की दूसरी पहचान से आसानी से सिद्ध होता है। समतुल्य, यह कथन है कि

$\int \phi _{2}(\nabla ^{2}\phi _{1})dV=\int \phi _{1}(\nabla ^{2}\phi _{2})\operatorname {d} V\ ,$

अर्थात वह $\nabla ^{2}$एक हर्मिटियन ऑपरेटर है (जैसा कि भागों द्वारा दो बार एकीकृत करके किया जाता है)।

यह भी देखें

• सतह तुल्यता सिद्धांत

संदर्भ

• L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Addison-Wesley: Reading, MA, 1960). §89.
• Ronold W. P. King, Fundamental Electromagnetic Theory (Dover: New York, 1963). §IV.21.
• C. Altman and K. Such, Reciprocity, Spatial Mapping and Time Reversal in Electromagnetics (Kluwer: Dordrecht, 1991).
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• R. J. Potton, "Reciprocity in optics," Reports on Progress in Physics 67, 717-754 (2004). (A review article on the history of this topic.)
• J. R. Carson, "A generalization of reciprocal theorem," Bell System Technical Journal 3 (3), 393-399 (1924).
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• M. Stumpf, Electromagnetic Reciprocity in Antenna Theory (Wiley-IEEE Press: Piscataway, NJ: 2018).
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• V. S. Asadchy, M. S. Mirmoosa, A. Díaz-Rubio, S. Fan and S. A. Tretyakov, "Tutorial on Electromagnetic Nonreciprocity and its Origins," in Proceedings of the IEEE, vol. 108, no. 10, pp. 1684-1727, Oct. 2020, doi: 10.1109/JPROC.2020.3012381.