FÓTONDINÃMICA GRACELI. COM O VETOR DE POTENCIAL MAGNÉTICO..

 equação de Graceli.

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

 equação de Pauli , também conhecida como Equação Schrödinger-Pauli, é uma formulação da Equação de Schrödinger para um spin-partícula que leva em consideração a interação da rotação de uma partícula com o campo eletromagnético. Essas situações são os casos não-relativísticos da Equação de Dirac, onde as partículas em questão tem uma velocidade muito baixa para que os efeitos da relatividade tenham importância, podendo ser ignorados.

A equação de Pauli foi formulada por Wolfgang Pauli no ano de 1927.

Detalhes

A equação de Pauli é mostrada como:

${\displaystyle \left[{\frac {1}{2m}}({\vec {\sigma }}\cdot ({\vec {p}}-q{\vec {A}}))^{2}+q\phi \right]|\psi \rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi \rangle }$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Onde:

• ${\displaystyle m\ \ }$ é a massa da partícula.
• ${\displaystyle q\ \ }$ é a carga da partícula.
• ${\displaystyle {\vec {\sigma }}\ \ }$ é um vetor de três componentes do dois-por-dois das matrizes de Pauli. Isto significa que cada componente do vetor é uma matriz de Pauli.
• ${\displaystyle {\vec {p}}\ \ }$ é o vetor de três componentes da dinâmica dos operadores. Os componentes desses vetores são: ${\displaystyle -i\hbar {\frac {\partial }{\partial x_{n}}}}$
• ${\displaystyle {\vec {A}}\ \ }$ é o vetor de três componentes do potencial magnético.
• ${\displaystyle \phi \ \ }$ é o potencial escalar elétrico.
• ${\displaystyle |\psi \rangle \ \ }$ são os dois componentes spinor da onda, podem ser representados como ${\displaystyle {\begin{pmatrix}\psi _{0}\\\psi _{1}\end{pmatrix}}}$.

De forma mais precisa, a equação de Pauli é:

${\displaystyle \left[{\frac {1}{2m}}\left(\sum _{n=1}^{3}(\sigma _{n}(-i\hbar {\frac {\partial }{\partial x_{n}}}-qA_{n}))\right)^{2}+q\phi \right]{\begin{pmatrix}\psi _{0}\\\psi _{1}\end{pmatrix}}=i\hbar {\begin{pmatrix}{\frac {\partial \psi _{0}}{\partial t}}\\{\frac {\partial \psi _{1}}{\partial t}}\end{pmatrix}}}$ /

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Mostra que o espaço Hamiltoniano (a expressão entre parênteses ao quadrado) é uma matriz operador dois-por-dois, por conta das matrizes ${\displaystyle \sigma }$ de Pauli.

A força magnetomotriz provê um meio matemático para definir um campo magnético em eletromagnetismo clássico. É análogo ao potencial elétrico o qual define o campo elétrico na eletrostática. Existem dois meios para definir este potencial - como um escalar e como um vetor potencial. O vetor potencial magnético é usado muito mais frequentemente que o potencial magnético escalar.

O vetor potencial magnético é frequentemente chamado simplesmente o potencial magnético, vetor potencial, ou vetor potencial electromagnético. Se o vetor potencial magnético é dependente do tempo, ele também define uma contribuição ao campo elétrico.
A força magnetomotriz ${\displaystyle (f_{mm})}$, dada em Ampère-espira ${\displaystyle (Ae)}$ é diretamente proporcional ao número de espiras na bobina e diretamente proporcional à corrente elétrica que circula na bobina,^[1] logo:

${\displaystyle f_{mm}=NI}$ / G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

onde:
${\displaystyle f_{mm}}$: força magnetomotriz, em ${\displaystyle Ae}$ (Ampére-espira)
${\displaystyle N}$: número de enrolamentos na bobina
${\displaystyle I}$: corrente elétrica que circula pela bobina, em ${\displaystyle A}$ (Ampère)

Analogia com a Lei de ohm

Fazendo uma analogia com a Lei de ohm, é possível calcular a ${\displaystyle f_{mm}}$, considerando um circuito magnético fechado (fonte CA, bobina e núcleo de ferro), onde:

• ${\displaystyle f_{mm}}$ representa a ${\displaystyle f_{em}}$ (Força eletromotriz)
• ${\displaystyle {\mathfrak {R}}}$ (Relutância magnética) representa a ${\displaystyle R}$ (Resistência elétrica)
• ${\displaystyle \Phi }$ (Fluxo magnético) representa a ${\displaystyle I}$ (Corrente elétrica)

Aplicando a lei de ohm:

${\displaystyle f_{mm}={\mathfrak {R}}\Phi }$ / G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

onde:
${\displaystyle {\mathfrak {R}}}$: Relutância magnética, em ${\displaystyle Ae/Wb}$ (Ampére-espira por Weber).
${\displaystyle \Phi }$: Fluxo magnético, em ${\displaystyle Wb}$ (Weber).

Na mecânica quântica, a Representação de Dirac ou Representação de Interação é uma intermediação entre a Representação de Schrödinger e a Representação de Heisenberg. Considerando que nas outras duas representações ou o vetor do estado quântico ou o operador possuem dependência com o tempo, na Representação de Dirac ambas possuem parte da dependência do tempo dos observáveis.

Equações que incluem operadores agindo em tempos distintos, que são comportadas na Representação de Dirac, não necessariamente serão comportados nas representações de Schrödinger e Heisenberg. Isto é porque transformações unitárias do tempo se relaciona com operadores de uma representação com o operador análogo da outra representação.

Definição

Operadores e vetores dos estados quânticos na Representação de Dirac são relacionados pela mudança de base para aqueles operadores e vetores na Representação de Schrödinger.^[1]

Para alternar na Representação de Dirac, nós dividimos o hamiltoniano da Representação de Schrödinger em duas partes, ${\displaystyle H_{S}=H_{0,S}+H_{1,S}}$. Qualquer escolha das partes nos dará uma Representação de Dirac válida, mas para nos ser útil na simplificação do problema, as partes serão escolhidas de forma que ${\displaystyle H_{0,S}}$ será facilmente resolvido e ${\displaystyle H_{1,S}}$ conterá as partes mais difíceis de analisar deste sistema.

Se o hamiltoniano for dependente do tempo (por exemplo, se o sistema quântico interagir com um campo elétrico aplicado externo que varia com o tempo), normalmente nos será vantajoso incluir explicitamente os termos dependentes do tempo com ${\displaystyle H_{1,S}}$, deixando o ${\displaystyle H_{0,S}}$ independente do tempo. Nós iremos assumir que este será o caso. (se existir um contexto em que isto faça sentido ter um ${\displaystyle H_{0,S}}$ dependente do tempo, então deve-se trocar ${\displaystyle e^{\pm iH_{0,S}t/\hbar }}$ pelo operador de evolução).

Vetor do estado quântico

O vetor do estado quântico na Representação de Dirac é definido como^[2]

${\displaystyle |\psi _{I}(t)\rangle =e^{iH_{0,S}t/\hbar }|\psi _{S}(t)\rangle }$ 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Onde ${\displaystyle |\psi _{S}(t)\rangle }$ é o mesmo vetor da Representação de Schrödinger.

Operadores

Um operador na Representação de Dirac é definido como

${\displaystyle A_{I}(t)=e^{iH_{0,S}t/\hbar }A_{S}(t)e^{-iH_{0,S}t/\hbar }.}$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Perceba que ${\displaystyle A_{S}(t)}$ não será dependente de t e pode ser reescrito como ${\displaystyle A_{S}}$.

Operador hamiltoniano

Para o operador ${\displaystyle H_{0}}$ a Representação de Dirac e Schrödinger são idênticas

${\displaystyle H_{0,I}(t)=e^{iH_{0,S}t/\hbar }H_{0,S}e^{-iH_{0,S}t/\hbar }=H_{0,S}}$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Isto pode ser comprovador usando o facto que os operadores comutáveis com funções diferenciáveis. Este operador em particular também pode ser escrito da forma ${\displaystyle H_{0}}$ sem ambiguidade.

Para a perturbação hamiltoniana ${\displaystyle H_{1,I}}$, teremos

${\displaystyle H_{1,I}(t)=e^{iH_{0,S}t/\hbar }H_{1,S}e^{-iH_{0,S}t/\hbar }}$

onde a perturbação hamiltoniana da Representação de Dirac se torna um hamiltoniano dependente do tempo (a não ser que ${\displaystyle [H_{1,s},H_{0,s}]=0}$).

É possível de se obter a Representação de Dirac para um hamiltoniano dependente do tempo ${\displaystyle H_{0,s}(t)}$, mas os exponencias precisam ser substituídos pelo propagador unitário devido para ${\displaystyle H_{0,s}(t)}$ ou mais explícito com uma integral exponencial ordenada pelo tempo.

Matriz densidade

A matriz densidade pode se demonstrada transformando a Representação de Dirac da mesma forma como qualquer outro operador. Em particular, deixe ${\displaystyle \rho _{I}}$ e ${\displaystyle \rho _{S}}$ ser a matriz de densidade na Representação de Dirac e na Representação de Schrödinger, respectivamente. Se existe possibilidade de ${\displaystyle p_{n}}$ ser no estado físico ${\displaystyle |\psi _{n}\rangle }$, então

${\displaystyle \rho _{I}(t)=\sum _{n}p_{n}(t)|\psi _{n,I}(t)\rangle \langle \psi _{n,I}(t)|=\sum _{n}p_{n}(t)e^{iH_{0,S}t/\hbar }|\psi _{n,S}(t)\rangle \langle \psi _{n,S}(t)|e^{-iH_{0,S}t/\hbar }=e^{iH_{0,S}t/\hbar }\rho _{S}(t)e^{-iH_{0,S}t/\hbar }}$

/ G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Equações da evolução temporal

Estados da evolução temporal

Transformando a Equação de Schrödinger numa Representação de Dirac teremos:

${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}|\psi _{I}(t)\rangle =H_{1,I}(t)|\psi _{I}(t)\rangle .}$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Esta equação se refere à equação Schwinger-Tomonaga.

Operadores da evolução temporal

Se o operador ${\displaystyle A_{S}}$ é independente do tempo então a evolução temporal correspondente para ${\displaystyle A_{I}(t)}$ é dada por

${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}A_{I}(t)=\left[A_{I}(t),H_{0}\right].\;}$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Na Representação de Dirac os operadores evoluem no tempo como os operadores da Representação de Heisenberg com o hamiltoniano ${\displaystyle H'=H_{0}}$.

Evolução temporal da matriz densidade

Transformando a equação de Schwinger-Tomonaga na linguagem da matriz densidade teremos

${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}\rho _{I}(t)=\left[H_{1,I}(t),\rho _{I}(t)\right].}$ / 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

Na mecânica quântica, equação de Dirac é uma equação de onda relativística proposta por Paul Dirac em 1928 que descreve com sucesso partículas elementares de spin-½, como o elétron. Anteriormente, a equação de Klein-Gordon (uma equação de segunda ordem nas derivadas temporais e espaciais) foi proposta para a mesma função, mas apresentou severos problemas na definição de densidade de probabilidade. A equação de Dirac é uma equação de primeira ordem, o que eliminou este tipo de problema. Além disso, a equação de Dirac introduziu teoricamente o conceito de antipartícula, confirmado experimentalmente pela descoberta em 1932 do pósitron, e mostrou que spin poderia ser deduzido facilmente da equação, ao invés de postulado. Contudo, a equação de Dirac não é perfeitamente compatível com a teoria da relatividade, pois não prevê a criação e destruição de partículas, algo que apenas uma teoria quântica de campos poderia tratar.

A equação propriamente dita é dada por:

${\displaystyle \left(\alpha _{0}mc^{2}+\sum _{j=1}^{3}\alpha _{j}p_{j}\,c\right)\psi (\mathbf {x} ,t)=i\hbar {\frac {\partial \psi }{\partial t}}(\mathbf {x} ,t)}$, 

G ψ  = E ψ  =  [Ϡ ]  [ξ ] [,ς]   ψ μ / h/c .

na qual m é a massa de repouso do elétron, c é a velocidade da luz, p é o operador momentum linear ${\displaystyle \hbar }$ é a constante de Planck divida por 2π, x e t são as coordenadas de espaço e tempo e ψ(x, t) é uma função de onda com quatro componentes.