Analisis Vektor
Kalkulus vektor tiga dimensi — operator diferensial nabla, teorema integral fundamental, dan sistem koordinat kurvilinier yang menjadi bahasa utama elektrodinamika klasik.
1.1 Vektor dalam Tiga Dimensi
Vektor $\mathbf{A}$ dalam ruang tiga dimensi adalah besaran yang memiliki besaran (panjang) dan arah, direpresentasikan sebagai tripel terurut komponen terhadap basis ortonormal $\{\hat{\mathbf{x}},\,\hat{\mathbf{y}},\,\hat{\mathbf{z}}\}$:
Notasi singkat: $\mathbf{A} = (A_x, A_y, A_z)$. Komponen-komponen dapat diperoleh melalui proyeksi: $A_x = \mathbf{A}\cdot\hat{\mathbf{x}}$, $A_y = \mathbf{A}\cdot\hat{\mathbf{y}}$, $A_z = \mathbf{A}\cdot\hat{\mathbf{z}}$.
Besar (norma) vektor didefinisikan melalui teorema Pythagoras generalisasi:
Vektor satuan searah $\mathbf{A}$ diperoleh dengan membagi vektor oleh besarnya:
1.1.1 Operasi Aljabar Vektor
Penjumlahan dan pengurangan vektor dilakukan komponen per komponen. Jika $\mathbf{A} = (A_x, A_y, A_z)$ dan $\mathbf{B} = (B_x, B_y, B_z)$:
Perkalian vektor dengan skalar $\alpha$:
Geometri penjumlahan vektor memenuhi Hukum Jajaran Genjang: vektor $\mathbf{A}+\mathbf{B}$ merupakan diagonal jajaran genjang yang dibentuk oleh $\mathbf{A}$ dan $\mathbf{B}$ ketika keduanya ditempatkan ekor-ke-ekor.
Diberikan $\mathbf{A} = 2\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + 3\hat{\mathbf{z}}$. Hitung besar vektor dan vektor satuan $\hat{\mathbf{A}}$.
Besaran: $|\mathbf{A}| = \sqrt{2^2 + (-1)^2 + 3^2} = \sqrt{4+1+9} = \sqrt{14} \approx 3.742 \notag$
Vektor satuan: $\hat{\mathbf{A}} = \dfrac{2\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + 3\hat{\mathbf{z}}}{\sqrt{14}} \approx 0.535\,\hat{\mathbf{x}} - 0.267\,\hat{\mathbf{y}} + 0.802\,\hat{\mathbf{z}} \notag$
Dua titik dalam ruang memiliki vektor posisi $\mathbf{r}_1 = \hat{\mathbf{x}} + 2\hat{\mathbf{y}} - \hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathbf{r}_2 = 3\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + 4\hat{\mathbf{z}}$. Hitung vektor perpindahan dari $P_1$ ke $P_2$ dan jarak antara kedua titik.
Vektor perpindahan: $\Delta\mathbf{r} = \mathbf{r}_2 - \mathbf{r}_1 = (3-1)\hat{\mathbf{x}} + (-1-2)\hat{\mathbf{y}} + (4-(-1))\hat{\mathbf{z}} = 2\hat{\mathbf{x}} - 3\hat{\mathbf{y}} + 5\hat{\mathbf{z}} \notag$
Jarak: $|\Delta\mathbf{r}| = \sqrt{4 + 9 + 25} = \sqrt{38} \approx 6.164 \notag$
Diberikan $\mathbf{A} = 3\hat{\mathbf{x}} - 2\hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}}$. Tentukan vektor $\mathbf{B}$ yang tegak lurus terhadap $\mathbf{A}$ dan terletak pada bidang $xy$ (tidak memiliki komponen $z$).
Misalkan $\mathbf{B} = B_x\hat{\mathbf{x}} + B_y\hat{\mathbf{y}}$. Syarat ortogonalitas: $\notag$
$\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = 3B_x - 2B_y = 0 \quad\Longrightarrow\quad B_y = \tfrac{3}{2}B_x \notag$
Pilih $B_x = 2$ (sembarang nilai tak-nol), maka $B_y = 3$ dan $\mathbf{B} = 2\hat{\mathbf{x}} + 3\hat{\mathbf{y}}$. $\notag$
Verifikasi: $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = 3(2) + (-2)(3) + 1(0) = 6 - 6 + 0 = 0 \;\checkmark \notag$
Catatan: solusi tidak unik — setiap kelipatan $c\,(2\hat{\mathbf{x}} + 3\hat{\mathbf{y}})$ juga tegak lurus terhadap $\mathbf{A}$. Ruang semua vektor yang ortogonal terhadap $\mathbf{A}$ membentuk sub-ruang berdimensi dua (sebuah bidang) dalam $\mathbb{R}^3$. $\notag$
Dalam elektrodinamika, vektor posisi $\mathbf{r} = x\hat{\mathbf{x}} + y\hat{\mathbf{y}} + z\hat{\mathbf{z}}$ dan besarannya $r = |\mathbf{r}| = \sqrt{x^2+y^2+z^2}$ muncul terus-menerus. Vektor pemisah dari titik sumber $\mathbf{r}'$ ke titik pengamatan $\mathbf{r}$ dinotasikan $\boldsymbol{\mathscr{r}} = \mathbf{r} - \mathbf{r}'$ dengan besar $\mathscr{r} = |\mathbf{r}-\mathbf{r}'|$. Konvensi ini sangat penting dalam rumus integral Coulomb dan hukum Biot–Savart.
1.2 Perkalian Titik dan Perkalian Silang
1.2.1 Produk Titik (Dot Product)
Produk titik (hasil kali dalam) dua vektor didefinisikan secara aljabar sebagai:
Secara geometris, produk titik memberikan proyeksi skalar $\mathbf{A}$ pada $\mathbf{B}$ dikalikan besar $\mathbf{B}$:
di mana $\theta$ adalah sudut terkecil antara kedua vektor ($0 \leq \theta \leq \pi$).
Komponen $\mathbf{A}$ searah $\mathbf{B}$ (proyeksi skalar) dan vektor proyeksi diberikan oleh:
$\text{comp}_{\mathbf{B}} \mathbf{A}$ (Proyeksi Skalar): Hasilnya berupa skalar (sebuah bilangan tunggal). Secara geometris, ini merepresentasikan panjang bertanda (bisa positif atau negatif) dari "bayangan" yang dihasilkan vektor $\mathbf{A}$ jika dijatuhkan tegak lurus ke garis lurus $\mathbf{B}$. Nilainya positif jika bayangan searah dengan $\mathbf{B}$, dan negatif jika bayangan berlawanan arah.
$\text{proj}_{\mathbf{B}} \mathbf{A}$ (Proyeksi Vektor): Hasilnya berupa vektor (memiliki nilai besar dan arah). Ini merepresentasikan vektor bayangan itu sendiri, yang terletak tepat di atas garis $\mathbf{B}$. Penyebut $|\mathbf{B}|^2$ pada dasarnya adalah bentuk sederhana dari perkalian antara panjang skalar dengan vektor satuan dari $\mathbf{B}$:
Sifat-sifat penting produk titik: komutatif ($\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = \mathbf{B}\cdot\mathbf{A}$), distributif terhadap penjumlahan, dan $\mathbf{A}\cdot\mathbf{A} = |\mathbf{A}|^2$. Dua vektor ortogonal jika dan hanya jika $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = 0$.
Produk titik basis ortonormal:
Diberikan $\mathbf{A} = \hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathbf{B} = 2\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{z}}$. Tentukan sudut $\theta$ antara keduanya.
Produk titik: $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = (1)(2) + (1)(0) + (1)(-1) = 1 \notag$
Besaran: $|\mathbf{A}| = \sqrt{1+1+1} = \sqrt{3}$, $\quad|\mathbf{B}| = \sqrt{4+0+1} = \sqrt{5} \notag$
Sudut: $\cos\theta = \dfrac{\mathbf{A}\cdot\mathbf{B}}{|\mathbf{A}|\,|\mathbf{B}|} = \dfrac{1}{\sqrt{15}} \approx 0.2582 \notag$
Sehingga $\theta = \arccos(1/\sqrt{15}) \approx 75.0° \notag$
Dengan $\mathbf{A} = 3\hat{\mathbf{x}} + 2\hat{\mathbf{y}} - \hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathbf{B} = \hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} + 2\hat{\mathbf{z}}$, tentukan komponen $\mathbf{A}$ yang sejajar dan tegak lurus terhadap $\mathbf{B}$.
Produk titik: $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = 3 + 2 - 2 = 3$, $\quad|\mathbf{B}|^2 = 1+1+4 = 6 \notag$
Komponen sejajar: $\mathbf{A}_{\parallel} = \text{proj}_{\mathbf{B}}\mathbf{A} = \dfrac{3}{6}\,\mathbf{B} = \dfrac{1}{2}\hat{\mathbf{x}} + \dfrac{1}{2}\hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}} \notag$
Komponen tegak lurus: $\mathbf{A}_{\perp} = \mathbf{A} - \mathbf{A}_{\parallel} = \dfrac{5}{2}\hat{\mathbf{x}} + \dfrac{3}{2}\hat{\mathbf{y}} - 2\hat{\mathbf{z}} \notag$
Verifikasi: $\mathbf{A}_{\parallel}\cdot\mathbf{A}_{\perp} = \frac{1}{2}\cdot\frac{5}{2} + \frac{1}{2}\cdot\frac{3}{2} + (1)(-2) = \frac{5}{4} + \frac{3}{4} - 2 = 0 \;\checkmark \notag$
Dan $\mathbf{A}_{\parallel} + \mathbf{A}_{\perp} = \mathbf{A} \;\checkmark \notag$
1.2.2 Produk Silang (Cross Product)
Produk silang $\mathbf{A}\times\mathbf{B}$ menghasilkan vektor yang tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk $\mathbf{A}$ dan $\mathbf{B}$, dengan arah ditentukan oleh aturan tangan kanan:
Besarnya sama dengan luas jajar genjang yang dibentuk oleh kedua vektor:
Produk silang tidak komutatif: $\mathbf{A}\times\mathbf{B} = -\mathbf{B}\times\mathbf{A}$. Arah hasil silang mengikuti aturan tangan kanan — putar dari $\mathbf{A}$ ke $\mathbf{B}$ melalui sudut terkecil $\theta$, maka ibu jari menunjuk arah $\mathbf{A}\times\mathbf{B}$.
Produk silang basis ortonormal (siklus $\hat{\mathbf{x}} \to \hat{\mathbf{y}} \to \hat{\mathbf{z}} \to \hat{\mathbf{x}}$):
Tiga titik membentuk segitiga: $P_1 = (0,0,0)$, $P_2 = (2,1,0)$, $P_3 = (1,3,2)$. Hitung luas segitiga ini.
Vektor sisi: $\mathbf{a} = P_2 - P_1 = 2\hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}}$, $\quad\mathbf{b} = P_3 - P_1 = \hat{\mathbf{x}} + 3\hat{\mathbf{y}} + 2\hat{\mathbf{z}} \notag$
Produk silang: $\mathbf{a}\times\mathbf{b} = \begin{vmatrix}\hat{\mathbf{x}} & \hat{\mathbf{y}} & \hat{\mathbf{z}} \\ 2 & 1 & 0 \\ 1 & 3 & 2\end{vmatrix} = (2-0)\hat{\mathbf{x}} - (4-0)\hat{\mathbf{y}} + (6-1)\hat{\mathbf{z}} = 2\hat{\mathbf{x}} - 4\hat{\mathbf{y}} + 5\hat{\mathbf{z}} \notag$
$|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = \sqrt{4+16+25} = \sqrt{45} = 3\sqrt{5} \notag$
Luas segitiga $= \dfrac{1}{2}|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = \dfrac{3\sqrt{5}}{2} \approx 3.354 \notag$
Dengan $\mathbf{A} = \hat{\mathbf{x}} + 2\hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathbf{B} = 3\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}}$, hitung $\mathbf{A}\times\mathbf{B}$ dan verifikasi bahwa hasilnya tegak lurus terhadap $\mathbf{A}$ dan $\mathbf{B}$.
$\mathbf{A}\times\mathbf{B} = \begin{vmatrix}\hat{\mathbf{x}} & \hat{\mathbf{y}} & \hat{\mathbf{z}} \\ 1 & 0 & 2 \\ 3 & -1 & 1\end{vmatrix} = (0\cdot1 - 2\cdot(-1))\hat{\mathbf{x}} - (1\cdot1 - 2\cdot3)\hat{\mathbf{y}} + (1\cdot(-1) - 0\cdot3)\hat{\mathbf{z}} = 2\hat{\mathbf{x}} + 5\hat{\mathbf{y}} - \hat{\mathbf{z}} \notag$
Verifikasi: $\mathbf{A}\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = (1)(2) + (0)(5) + (2)(-1) = 2 - 2 = 0 \;\checkmark \notag$
$\mathbf{B}\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = (3)(2) + (-1)(5) + (1)(-1) = 6 - 5 - 1 = 0 \;\checkmark \notag$
1.2.3 Produk Tripel
Produk tripel skalar (triple product) menghasilkan skalar yang besarnya sama dengan volume parallelepiped:
Produk tripel skalar bersifat invarian terhadap perputaran titik dan silang: $\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \mathbf{B}\cdot(\mathbf{C}\times\mathbf{A}) = \mathbf{C}\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B})$. Nilainya positif jika $\{\mathbf{A},\mathbf{B},\mathbf{C}\}$ membentuk basis tangan kanan, negatif jika tangan kiri, dan nol jika ketiga vektor koplanar.
Produk tripel vektor memenuhi identitas BAC-CAB yang sangat berguna dalam derivasi elektrodinamika:
Hitung volume parallelepiped yang dibentuk oleh $\mathbf{A} = \hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}}$, $\mathbf{B} = \hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}}$, $\mathbf{C} = \hat{\mathbf{z}} + \hat{\mathbf{x}}$.
$V = |\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C})| = \left|\begin{vmatrix}1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1\end{vmatrix}\right| = |1(1\cdot1 - 1\cdot0) - 1(0\cdot1 - 1\cdot1) + 0| = |1 + 1| = 2 \notag$
Verifikasi identitas BAC-CAB untuk $\mathbf{A} = \hat{\mathbf{x}} + 2\hat{\mathbf{y}}$, $\mathbf{B} = 2\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{z}}$, $\mathbf{C} = \hat{\mathbf{y}} + 3\hat{\mathbf{z}}$.
Ruang kiri — $\mathbf{A}\times(\mathbf{B}\times\mathbf{C})$:
$\mathbf{B}\times\mathbf{C} = \begin{vmatrix}\hat{\mathbf{x}} & \hat{\mathbf{y}} & \hat{\mathbf{z}} \\ 2 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix} = (0\cdot3 - (-1)\cdot1)\hat{\mathbf{x}} - (2\cdot3 - (-1)\cdot0)\hat{\mathbf{y}} + (2\cdot1 - 0\cdot0)\hat{\mathbf{z}} = \hat{\mathbf{x}} - 6\hat{\mathbf{y}} + 2\hat{\mathbf{z}} \notag$
$\mathbf{A}\times(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \begin{vmatrix}\hat{\mathbf{x}} & \hat{\mathbf{y}} & \hat{\mathbf{z}} \\ 1 & 2 & 0 \\ 1 & -6 & 2\end{vmatrix} = 4\hat{\mathbf{x}} - 2\hat{\mathbf{y}} - 8\hat{\mathbf{z}} \notag$
Ruang kanan — $\mathbf{B}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{C}) - \mathbf{C}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B})$:
$\mathbf{A}\cdot\mathbf{C} = 0 + 2 + 0 = 2$, $\quad\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = 2 + 0 + 0 = 2 \notag$
$\mathbf{B}(2) - \mathbf{C}(2) = 4\hat{\mathbf{x}} - 2\hat{\mathbf{z}} - 2\hat{\mathbf{y}} - 6\hat{\mathbf{z}} = 4\hat{\mathbf{x}} - 2\hat{\mathbf{y}} - 8\hat{\mathbf{z}} \notag$
Kedua ruas sama: $4\hat{\mathbf{x}} - 2\hat{\mathbf{y}} - 8\hat{\mathbf{z}} \;\checkmark \notag$
Tentukan apakah $\mathbf{A} = 2\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + \hat{\mathbf{z}}$, $\mathbf{B} = \hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} - 2\hat{\mathbf{z}}$, dan $\mathbf{C} = 3\hat{\mathbf{x}} - 3\hat{\mathbf{y}} + 5\hat{\mathbf{z}}$ koplanar.
Tiga vektor koplanar jika dan hanya jika produk tripel skalar bernilai nol:
$\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \begin{vmatrix}2 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & -2 \\ 3 & -3 & 5\end{vmatrix} \notag$
$= 2(5-6) - (-1)(5-(-6)) + 1(-3-3) = 2(-1) + 1(11) + 1(-6) = -2+11-6 = 3 \neq 0 \notag$
Karena $\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = 3 \neq 0$, ketiga vektor tidak koplanar — mereka membentuk basis linear-independen di $\mathbb{R}^3$. $\notag$
1.2.4 Ringkasan Identitas Produk Vektor
| Identitas | Ekspresi |
|---|---|
| Komutatif titik | $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = \mathbf{B}\cdot\mathbf{A}$ |
| Antikomutatif silang | $\mathbf{A}\times\mathbf{B} = -\mathbf{B}\times\mathbf{A}$ |
| Distributif titik | $\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}+\mathbf{C}) = \mathbf{A}\cdot\mathbf{B} + \mathbf{A}\cdot\mathbf{C}$ |
| Distributif silang | $\mathbf{A}\times(\mathbf{B}+\mathbf{C}) = \mathbf{A}\times\mathbf{B} + \mathbf{A}\times\mathbf{C}$ |
| Tripel skalar | $\mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \mathbf{B}\cdot(\mathbf{C}\times\mathbf{A}) = \mathbf{C}\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B})$ |
| BAC-CAB | $\mathbf{A}\times(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \mathbf{B}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{C}) - \mathbf{C}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B})$ |
| Lagrange | $|\mathbf{A}\times\mathbf{B}|^2 = |\mathbf{A}|^2|\mathbf{B}|^2 - (\mathbf{A}\cdot\mathbf{B})^2$ |
| Jacobi | $\mathbf{A}\times(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) + \mathbf{B}\times(\mathbf{C}\times\mathbf{A}) + \mathbf{C}\times(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = \mathbf{0}$ |
Identitas Lagrange merupakan konsekuensi langsung dari $|\mathbf{A}\times\mathbf{B}| = |\mathbf{A}||\mathbf{B}|\sin\theta$ dan $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B} = |\mathbf{A}||\mathbf{B}|\cos\theta$ dikombinasikan dengan $\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1$. Identitas Jacobi berguna dalam pembuktian beberapa teorema tentang medan vektor.
1.3 Operator Diferensial: Gradient
Operator diferensial $\nabla$ (dibaca nabla) adalah vektor operator yang menjadi tulang punggung seluruh elektrodinamika:
$\nabla$ bukan vektor biasa — ia adalah operator diferensial. Dalam ekspresi, $\nabla$ harus selalu "beroperasi pada" sesuatu yang ada di sebelah kanannya. Aturan praktis: treat $\nabla$ seperti vektor dalam aturan aljabar, tetapi selalu terapkan turunan parsial pada fungsi di sebelah kanannya. Jangan pernah menulis $\mathbf{A}\nabla$ tanpa konteks yang jelas.
Gradient dari fungsi skalar $T(x,y,z)$ adalah vektor yang komponennya adalah turunan parsial $T$ terhadap masing-masing koordinat:
Gradient $\nabla T$ menunjuk ke arah kenaikan paling curam dari $T$, dan besarnya $|\nabla T|$ adalah laju kenaikan maksimum tersebut.
Turunan arah dari $T$ searah vektor satuan $\hat{\mathbf{u}}$ diberikan oleh:
di mana $\alpha$ adalah sudut antara $\nabla T$ dan $\hat{\mathbf{u}}$. Turunan arah maksimum terjadi ketika $\hat{\mathbf{u}}$ searah $\nabla T$ ($\alpha = 0$), dan nol ketika $\hat{\mathbf{u}}$ tegak lurus terhadap $\nabla T$ — yaitu, sepanjang garis kontur $T = \text{konstan}$.
Diberikan $T(x,y,z) = 3x^2y - y^2z$. Hitung $\nabla T$ dan turunan arah di titik $P = (1, -1, 2)$ searah vektor $\mathbf{v} = 2\hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} - 2\hat{\mathbf{z}}$.
Gradient: $\nabla T = 6xy\,\hat{\mathbf{x}} + (3x^2 - 2yz)\,\hat{\mathbf{y}} - y^2\,\hat{\mathbf{z}} \notag$
Di titik $P$: $\nabla T\big|_P = 6(1)(-1)\hat{\mathbf{x}} + (3 - 2(-1)(2))\hat{\mathbf{y}} - (-1)^2\hat{\mathbf{z}} = -6\hat{\mathbf{x}} + 7\hat{\mathbf{y}} - \hat{\mathbf{z}} \notag$
Vektor satuan: $\hat{\mathbf{v}} = \dfrac{2\hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} - 2\hat{\mathbf{z}}}{\sqrt{4+1+4}} = \dfrac{1}{3}(2\hat{\mathbf{x}} + \hat{\mathbf{y}} - 2\hat{\mathbf{z}}) \notag$
Turunan arah: $\nabla T\big|_P \cdot \hat{\mathbf{v}} = \dfrac{1}{3}[(-6)(2) + (7)(1) + (-1)(-2)] = \dfrac{1}{3}(-12+7+2) = -1 \notag$
Interpretasi: di titik $P$, fungsi $T$ menurun dengan laju 1 satuan per satuan panjang searah $\mathbf{v}$. Laju kenaikan maksimum adalah $|\nabla T|_P = \sqrt{36+49+1} = \sqrt{86} \approx 9.27$. $\notag$
Hitung $\nabla r$ di mana $r = \sqrt{x^2+y^2+z^2}$. Ini adalah salah satu hasil paling penting dalam elektrodinamika.
$\dfrac{\partial r}{\partial x} = \dfrac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} = \dfrac{x}{r}$, demikian pula untuk $y$ dan $z$. $\notag$
Sehingga: $\nabla r = \dfrac{x}{r}\,\hat{\mathbf{x}} + \dfrac{y}{r}\,\hat{\mathbf{y}} + \dfrac{z}{r}\,\hat{\mathbf{z}} = \dfrac{\mathbf{r}}{r} = \hat{\mathbf{r}} \notag$
Lebih umum, untuk $f(r)$ yang hanya bergantung pada $r$:
Contoh: $\nabla\!\left(\dfrac{1}{r}\right) = -\dfrac{1}{r^2}\,\hat{\mathbf{r}} = -\dfrac{\mathbf{r}}{r^3}$ — ini muncul langsung dalam medan listrik muatan titik. $\notag$
Dalam elektrodinamika, sering kali perlu menghitung $\nabla\!\left(\dfrac{1}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}\right)$ di mana $\mathbf{r}'$ adalah vektor posisi sumber (konstan terhadap turunan). Tunjukkan bahwa:
Bukti. Misalkan $\boldsymbol{\mathscr{r}} = \mathbf{r}-\mathbf{r}' = (x-x')\hat{\mathbf{x}} + (y-y')\hat{\mathbf{y}} + (z-z')\hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathscr{r} = |\boldsymbol{\mathscr{r}}|$. Karena $\nabla$ hanya beroperasi pada $\mathbf{r}$ (bukan $\mathbf{r}'$), kita peroleh: $\notag$
$\dfrac{\partial \mathscr{r}}{\partial x} = \dfrac{x-x'}{\mathscr{r}}$, sehingga $\nabla\mathscr{r} = \dfrac{\boldsymbol{\mathscr{r}}}{\mathscr{r}}$. Maka: $\notag$
$\nabla\!\left(\dfrac{1}{\mathscr{r}}\right) = -\dfrac{1}{\mathscr{r}^2}\nabla\mathscr{r} = -\dfrac{1}{\mathscr{r}^2}\cdot\dfrac{\boldsymbol{\mathscr{r}}}{\mathscr{r}} = -\dfrac{\boldsymbol{\mathscr{r}}}{\mathscr{r}^3} \;\blacksquare \notag$
Karena $\nabla$ adalah operator diferensial, aturan produk mirip diferensiasi biasa berlaku, tetapi urutan penting:
di mana $f$ dan $g$ adalah fungsi skalar. Perhatikan bahwa ini identik dengan aturan rantai biasa — $\nabla$ berperan seperti $d/dx$.
1.4 Divergensi dan Curl
Dua operasi turunan orde pertama yang paling penting dalam elektrodinamika diperoleh dengan menerapkan $\nabla$ pada vektor melalui produk titik dan produk silang.
Divergensi dari medan vektor $\mathbf{F}$ adalah skalar yang mengukur keluaran bersih (net outflow) per satuan volume di suatu titik:
Secara intuitif, $\nabla \cdot \mathbf{F} > 0$ di titik sumber (source), $\nabla \cdot \mathbf{F} < 0$ di titik cekungan (sink), dan $\nabla \cdot \mathbf{F} = 0$ jika medan tidak memiliki sumber lokal (solenoidal).
Curl dari medan vektor $\mathbf{F}$ adalah vektor yang mengukur kecenderungan rotasi medan di sekitar suatu titik:
Secara eksplisit, komponen-komponen curl adalah:
Bayangkan $\mathbf{F}$ sebagai medan kecepatan fluida. Divergensi mengukur apakah fluida "mengembang" atau "mengempis" secara lokal — seperti memasukkan pompa (sumber) atau drain (cekungan). Curl mengukur apakah fluida "berputar" di sekitar titik tersebut — seperti meletakkan bilah kipas kecil dan mengamati apakah ia berputar.
Hitung divergensi dan curl dari $\mathbf{F} = x^2 y\,\hat{\mathbf{x}} + y^2 z\,\hat{\mathbf{y}} + z^2 x\,\hat{\mathbf{z}}$.
Divergensi: $\nabla\cdot\mathbf{F} = \dfrac{\partial}{\partial x}(x^2 y) + \dfrac{\partial}{\partial y}(y^2 z) + \dfrac{\partial}{\partial z}(z^2 x) = 2xy + 2yz + 2zx \notag$
Curl: $\nabla\times\mathbf{F} = \left(\dfrac{\partial(z^2 x)}{\partial y} - \dfrac{\partial(y^2 z)}{\partial z}\right)\hat{\mathbf{x}} - \left(\dfrac{\partial(z^2 x)}{\partial x} - \dfrac{\partial(x^2 y)}{\partial z}\right)\hat{\mathbf{y}} + \left(\dfrac{\partial(y^2 z)}{\partial x} - \dfrac{\partial(x^2 y)}{\partial y}\right)\hat{\mathbf{z}} \notag$
$= (0 - y^2)\hat{\mathbf{x}} - (z^2 - 0)\hat{\mathbf{y}} + (0 - x^2)\hat{\mathbf{z}} = -y^2\,\hat{\mathbf{x}} - z^2\,\hat{\mathbf{y}} - x^2\,\hat{\mathbf{z}} \notag$
Hitung divergensi dari $\mathbf{F} = \dfrac{\hat{\mathbf{r}}}{r^2} = \dfrac{\mathbf{r}}{r^3}$ untuk $r \neq 0$. Medan ini persis berbentuk medan listrik muatan titik.
Dalam koordinat Kartesius, $\mathbf{F} = \dfrac{x}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}}\hat{\mathbf{x}} + \dfrac{y}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}}\hat{\mathbf{y}} + \dfrac{z}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}}\hat{\mathbf{z}}$. $\notag$
Hitung $\dfrac{\partial F_x}{\partial x} = \dfrac{(x^2+y^2+z^2)^{3/2} - x\cdot\frac{3}{2}(x^2+y^2+z^2)^{1/2}\cdot 2x}{(x^2+y^2+z^2)^3} = \dfrac{r^3 - 3x^2 r}{r^6} = \dfrac{r^2 - 3x^2}{r^5} \notag$
Dengan cara yang sama: $\dfrac{\partial F_y}{\partial y} = \dfrac{r^2-3y^2}{r^5}$, $\quad\dfrac{\partial F_z}{\partial z} = \dfrac{r^2-3z^2}{r^5} \notag$
$\nabla\cdot\mathbf{F} = \dfrac{3r^2 - 3(x^2+y^2+z^2)}{r^5} = \dfrac{3r^2 - 3r^2}{r^5} = 0 \quad (r \neq 0) \notag$
Medan $\hat{\mathbf{r}}/r^2$ adalah solenoidal di mana-mana kecuali di asal. Di $r=0$, divergensi "meledak" — hasilnya melibatkan fungsi delta Dirac: $\nabla\cdot(\hat{\mathbf{r}}/r^2) = 4\pi\,\delta^3(\mathbf{r})$. Ini adalah inti dari hukum Gauss untuk muatan titik. $\notag$
Hitung curl dari $\mathbf{F} = \dfrac{-y\,\hat{\mathbf{x}} + x\,\hat{\mathbf{y}}}{x^2+y^2}$. Medan ini mewakili medan magnetik dari kawat tak hingga berarus sepanjang sumbu $z$.
$F_x = \dfrac{-y}{x^2+y^2}$, $\quad F_y = \dfrac{x}{x^2+y^2}$, $\quad F_z = 0 \notag$
$\dfrac{\partial F_z}{\partial y} - \dfrac{\partial F_y}{\partial z} = 0 - 0 = 0 \notag$
$\dfrac{\partial F_x}{\partial z} - \dfrac{\partial F_z}{\partial x} = 0 - 0 = 0 \notag$
$\dfrac{\partial F_y}{\partial x} - \dfrac{\partial F_x}{\partial y} = \dfrac{(x^2+y^2) - x\cdot 2x}{(x^2+y^2)^2} - \dfrac{-(x^2+y^2) + y\cdot 2y}{(x^2+y^2)^2} = \dfrac{y^2-x^2}{(x^2+y^2)^2} + \dfrac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2} = 0 \quad (x^2+y^2 \neq 0) \notag$
Jadi $\nabla\times\mathbf{F} = \mathbf{0}$ di mana-mana kecuali di sumbu $z$ ($x=y=0$). Di sumbu, curl "meledak" dan menghasilkan fungsi delta: $\nabla\times\mathbf{F} = 2\pi\,\delta(x)\delta(y)\,\hat{\mathbf{z}}$. Ini adalah versi 2D dari hukum Ampère untuk kawat tak hingga. $\notag$
Dengan menerapkan $\nabla$ dua kali, diperoleh dua identitas fundamental yang merupakan konsekuensi langsung dari kesetaraan turunan parsial campuran ($\partial^2 f/\partial x\partial y = \partial^2 f/\partial y\partial x$):
Identitas pertama menyatakan bahwa medan curl selalu solenoidal. Identitas kedua menyatakan bahwa gradient selalu irasional. Kedua identitas ini menjadi dasar pengenalan potensial listrik dan potensial vektor magnetik.
Verifikasi $\nabla\times(\nabla T) = \mathbf{0}$ untuk $T = x^2 y + y^2 z + z^2 x$.
Gradient: $\nabla T = (2xy+z^2)\hat{\mathbf{x}} + (x^2+2yz)\hat{\mathbf{y}} + (y^2+2zx)\hat{\mathbf{z}} \notag$
Komponen-$x$ dari curl: $\dfrac{\partial(y^2+2zx)}{\partial y} - \dfrac{\partial(x^2+2yz)}{\partial z} = 2y - 2y = 0 \notag$
Komponen-$y$ dari curl: $\dfrac{\partial(2xy+z^2)}{\partial z} - \dfrac{\partial(y^2+2zx)}{\partial x} = 2z - 2z = 0 \notag$
Komponen-$z$ dari curl: $\dfrac{\partial(x^2+2yz)}{\partial x} - \dfrac{\partial(2xy+z^2)}{\partial y} = 2x - 2x = 0 \notag$
Konfirmasi: $\nabla\times(\nabla T) = \mathbf{0} \;\checkmark \notag$
Operator Laplacian didefinisikan sebagai divergensi dari gradient:
Aturan produk untuk $\nabla\cdot$ dan $\nabla\times$ memerlukan kehati-hatian karena $\nabla$ adalah operator:
Identitas terakhir sering muncul dalam derivasi hukum Ampère–Maxwell dan konsep tekanan Maxwell.
Verifikasi aturan produk $\nabla\cdot(f\,\mathbf{A}) = (\nabla f)\cdot\mathbf{A} + f\,(\nabla\cdot\mathbf{A})$ untuk $f = x^2$ dan $\mathbf{A} = x\hat{\mathbf{x}} + y\hat{\mathbf{y}} + z\hat{\mathbf{z}}$.
Ruang kiri — hitung langsung: $f\,\mathbf{A} = x^3\hat{\mathbf{x}} + x^2 y\,\hat{\mathbf{y}} + x^2 z\,\hat{\mathbf{z}}$. $\notag$
$\nabla\cdot(f\,\mathbf{A}) = \dfrac{\partial}{\partial x}(x^3) + \dfrac{\partial}{\partial y}(x^2 y) + \dfrac{\partial}{\partial z}(x^2 z) = 3x^2 + x^2 + x^2 = 5x^2 \notag$
Ruang kanan — gunakan aturan produk: $\notag$
$\nabla f = 2x\,\hat{\mathbf{x}}$, sehingga $(\nabla f)\cdot\mathbf{A} = 2x\cdot x + 0 + 0 = 2x^2$. $\notag$
$\nabla\cdot\mathbf{A} = \dfrac{\partial x}{\partial x} + \dfrac{\partial y}{\partial y} + \dfrac{\partial z}{\partial z} = 3$, sehingga $f\,(\nabla\cdot\mathbf{A}) = x^2 \cdot 3 = 3x^2$. $\notag$
Total ruas kanan: $2x^2 + 3x^2 = 5x^2 \;\checkmark \notag$
Catatan lanjutan: Versi radial tiga dimensi $\nabla\cdot(r^n\,\hat{\mathbf{r}}) = (n+2)\,r^{n-1}$ memerlukan rumus divergensi dalam koordinat bola dan akan dibahas di Latihan setelah §1.6. $\notag$
Hitung $\nabla^2(1/r)$ untuk $r \neq 0$ dalam koordinat Kartesius.
Dari Contoh 1.15, kita sudah mengetahui $\nabla\cdot(\mathbf{r}/r^3) = 0$ untuk $r \neq 0$. Karena $\nabla(1/r) = -\mathbf{r}/r^3$ (Contoh 1.13), maka: $\notag$
$\nabla^2\!\left(\dfrac{1}{r}\right) = \nabla\cdot\!\left(\nabla\,\dfrac{1}{r}\right) = \nabla\cdot\!\left(-\dfrac{\mathbf{r}}{r^3}\right) = -\nabla\cdot\!\left(\dfrac{\hat{\mathbf{r}}}{r^2}\right) = 0 \quad (r \neq 0) \notag$
Jadi $\nabla^2(1/r) = 0$ di mana-mana kecuali di asal. Namun, di $r=0$ fungsi ini memiliki singularitas dan Laplacian "meledak". Hasil lengkapnya memerlukan fungsi delta Dirac (lihat §1.9): $\notag$
Ini adalah identitas Laplace paling penting dalam elektrodinamika — ia menyatakan bahwa $1/r$ adalah fungsi Green dari operator Laplacian di tiga dimensi, dan merupakan dasar solusi umum persamaan Poisson. Bukti formal menggunakan fungsi delta diberikan di Contoh 1.43. $\notag$
1.5 Teorema Integral: Gauss, Stokes, dan Green
Tiga teorema integral fundamental menghubungkan operasi diferensial lokal (divergensi, curl) dengan integral global atas permukaan dan kurva tertutup.
1.5.1 Teorema Divergensi (Gauss)
Integral fluks vektor $\mathbf{F}$ menembus permukaan tertutup $\mathcal{S}$ sama dengan integral volume divergensi $\mathbf{F}$ di dalam volume $\mathcal{V}$ yang dibatasi $\mathcal{S}$:
di mana $d\mathbf{a} = \hat{\mathbf{n}}\,da$ dengan $\hat{\mathbf{n}}$ adalah vektor normal satuan mengarah ke luar permukaan tertutup.
Verifikasi teorema divergensi $\displaystyle\oint_{\mathcal{S}} \mathbf{F}\cdot d\mathbf{a} = \int_{\mathcal{V}} (\nabla\cdot\mathbf{F})\,d\tau$ untuk medan $\mathbf{F} = x^2\hat{\mathbf{x}} + y^2\hat{\mathbf{y}} + z^2\hat{\mathbf{z}}$ pada kubus satuan $0 \leq x,y,z \leq 1$.
Ruang kanan — integral volume $\int_{\mathcal{V}}(\nabla\cdot\mathbf{F})\,d\tau$:
Langkah 1 — hitung divergensi:
$\nabla\cdot\mathbf{F} = \dfrac{\partial}{\partial x}(x^2) + \dfrac{\partial}{\partial y}(y^2) + \dfrac{\partial}{\partial z}(z^2) = 2x + 2y + 2z$
Langkah 2 — integralkan terhadap $x$ terlebih dahulu:
$\displaystyle\int_0^1 (2x+2y+2z)\,dx = \bigl[x^2 + 2xy + 2xz\bigr]_{x=0}^{x=1} = 1 + 2y + 2z$
Langkah 3 — integralkan terhadap $y$:
$\displaystyle\int_0^1 (1+2y+2z)\,dy = \bigl[y + y^2 + 2yz\bigr]_{y=0}^{y=1} = 1 + 1 + 2z = 2 + 2z$
Langkah 4 — integralkan terhadap $z$:
$\displaystyle\int_0^1 (2+2z)\,dz = \bigl[2z + z^2\bigr]_{z=0}^{z=1} = 2 + 1 = \boldsymbol{3}$
Ruang kiri — integral permukaan $\oint_{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{a}$. Kubus memiliki 6 sisi; kita hitung satu per satu. Pada setiap sisi, $d\mathbf{a} = \hat{\mathbf{n}}\,da$ dengan $\hat{\mathbf{n}}$ menunjuk ke luar.
Sisi $x=1$ ($\hat{\mathbf{n}} = +\hat{\mathbf{x}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = x^2 = 1$. $\Phi_{x=1} = \displaystyle\int_0^1\!\!\int_0^1 1\;dy\,dz = \boldsymbol{1}$
Sisi $x=0$ ($\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\mathbf{x}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = -x^2 = 0$. $\Phi_{x=0} = \boldsymbol{0}$
Sisi $y=1$ ($\hat{\mathbf{n}} = +\hat{\mathbf{y}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = y^2 = 1$. $\Phi_{y=1} = \boldsymbol{1}$
Sisi $y=0$ ($\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\mathbf{y}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = -y^2 = 0$. $\Phi_{y=0} = \boldsymbol{0}$
Sisi $z=1$ ($\hat{\mathbf{n}} = +\hat{\mathbf{z}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = z^2 = 1$. $\Phi_{z=1} = \boldsymbol{1}$
Sisi $z=0$ ($\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\mathbf{z}}$): $\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = -z^2 = 0$. $\Phi_{z=0} = \boldsymbol{0}$
Jumlahkan seluruh fluks dari keenam sisi:
$\Phi_{\text{total}} = \underbrace{(1+0)}_{\text{sisi }x} + \underbrace{(1+0)}_{\text{sisi }y} + \underbrace{(1+0)}_{\text{sisi }z} = \boldsymbol{3}$
Verifikasi: Ruas kiri (integral permukaan) $= 3$ = ruas kanan (integral volume) $\;\checkmark$
Hitung fluks $\mathbf{F} = \hat{\mathbf{r}}/r^2$ melalui permukaan bola $r = R$.
Pada permukaan bola, $d\mathbf{a} = \hat{\mathbf{r}}\,da$ dan $r = R$, sehingga: $\notag$
$\oint_{r=R} \mathbf{F}\cdot d\mathbf{a} = \oint_{r=R} \frac{\hat{\mathbf{r}}}{R^2}\cdot\hat{\mathbf{r}}\,da = \frac{1}{R^2}\oint da = \frac{1}{R^2}\cdot 4\pi R^2 = 4\pi \notag$
Penting: Hasilnya $4\pi$ independen dari $R$! Ini bukan kebetulan — ia secara langsung mengarah ke hukum Gauss $\oint \mathbf{E}\cdot d\mathbf{a} = Q_{\text{enc}}/\varepsilon_0$. Dengan teorema divergensi, karena $\nabla\cdot(\hat{\mathbf{r}}/r^2) = 0$ untuk $r\neq 0$, seluruh kontribusi fluks berasal dari singularitas di $r=0$, yaitu $\nabla\cdot(\hat{\mathbf{r}}/r^2) = 4\pi\delta^3(\mathbf{r})$. $\notag$
Gunakan teorema divergensi untuk menghitung volume bola radius $R$ dengan memilih $\mathbf{F} = \mathbf{r}/3$.
$\nabla\cdot\mathbf{F} = \nabla\cdot\dfrac{\mathbf{r}}{3} = \dfrac{1}{3}\left(\dfrac{\partial x}{\partial x} + \dfrac{\partial y}{\partial y} + \dfrac{\partial z}{\partial z}\right) = \dfrac{3}{3} = 1 \notag$
Oleh teorema Gauss: $V = \int_{\mathcal{V}} 1\,d\tau = \int_{\mathcal{V}} (\nabla\cdot\mathbf{F})\,d\tau = \oint_{\mathcal{S}} \mathbf{F}\cdot d\mathbf{a} = \oint \frac{\mathbf{r}}{3}\cdot\hat{\mathbf{r}}\,da \notag$
Pada permukaan bola, $\mathbf{r} = R\hat{\mathbf{r}}$, sehingga $\mathbf{F}\cdot d\mathbf{a} = \dfrac{R}{3}\,da$. Maka: $\notag$
$V = \dfrac{R}{3}\oint da = \dfrac{R}{3}\cdot 4\pi R^2 = \dfrac{4\pi R^3}{3} \;\checkmark \notag$
Trik ini — memilih $\mathbf{F}$ sehingga $\nabla\cdot\mathbf{F}=1$ — dapat digunakan untuk menghitung volume region apa pun melalui integral permukaan. $\notag$
1.5.2 Teorema Stokes
Integral garis $\mathbf{F}$ sepanjang kurva tertutup $\mathcal{C}$ sama dengan integral curl $\mathbf{F}$ melalui setiap permukaan terbuka $\mathcal{S}$ yang dibatasi oleh $\mathcal{C}$:
Arah integrasi pada $\mathcal{C}$ dan arah normal $\hat{\mathbf{n}}$ pada $\mathcal{S}$ memenuhi aturan tangan kanan: jika jari-jari tangan kanan mengikuti arah integrasi pada $\mathcal{C}$, ibu jari menunjuk arah $\hat{\mathbf{n}}$.
Verifikasi teorema Stokes $\displaystyle\oint_{\mathcal{C}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l} = \int_{\mathcal{S}}(\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{a}$ untuk medan $\mathbf{F} = -y\hat{\mathbf{x}} + x\hat{\mathbf{y}} + z\hat{\mathbf{z}}$ pada kurva $\mathcal{C}$ berupa lingkaran $x^2+y^2=1$ di bidang $z=0$, dengan permukaan $\mathcal{S}$ berupa cakram datar yang dibatasi oleh lingkaran tersebut.
Tentukan orientasi: Pilih arah integrasi pada $\mathcal{C}$ berlawanan arah jarum jam (dilihat dari atas, arah $+z$). Oleh aturan tangan kanan, $\hat{\mathbf{n}} = \hat{\mathbf{z}}$ pada cakram.
Ruang kiri — integral garis $\oint_{\mathcal{C}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l}$:
Parametrisasi: $\mathbf{r}(\phi) = \cos\phi\;\hat{\mathbf{x}} + \sin\phi\;\hat{\mathbf{y}}$, $\quad 0 \leq \phi \leq 2\pi$
$d\mathbf{l} = (-\sin\phi\;\hat{\mathbf{x}} + \cos\phi\;\hat{\mathbf{y}})\,d\phi$
$\mathbf{F}\big|_{\mathcal{C}} = -\sin\phi\;\hat{\mathbf{x}} + \cos\phi\;\hat{\mathbf{y}}$
$\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l} = (\sin^2\phi + \cos^2\phi)\,d\phi = d\phi$
$\displaystyle\oint_{\mathcal{C}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l} = \int_0^{2\pi} d\phi = \boldsymbol{2\pi}$
Ruang kanan — integral permukaan:
$\nabla\times\mathbf{F} = 2\hat{\mathbf{z}}$ (medan curl seragam)
$(\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{a} = 2\,da$
$\displaystyle\int_{\mathcal{S}} 2\,da = 2 \times \pi(1)^2 = \boldsymbol{2\pi}$
Verifikasi: Ruas kiri $= 2\pi$ = ruas kanan $\;\checkmark$
Dalam elektrodinamika, teorema Stokes digunakan untuk menunjukkan bahwa GGL induksi $\mathcal{E} = \oint \mathbf{E}\cdot d\mathbf{l} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ setara dengan $\nabla\times\mathbf{E} = -\dfrac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$. Sebagai ilustrasi, jika $\mathbf{B} = B_0 t\,\hat{\mathbf{z}}$ dengan $B_0$ konstan, hitung GGL pada lingkaran radius $a$ di bidang $xy$.
$\mathcal{E} = \int_{\mathcal{S}}(\nabla\times\mathbf{E})\cdot d\mathbf{a} = -\int_{\mathcal{S}}\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}\cdot d\mathbf{a} = -\int_{\mathcal{S}} B_0\,\hat{\mathbf{z}}\cdot\hat{\mathbf{z}}\,da = -B_0\cdot\pi a^2 \notag$
Jadi $\mathcal{E} = -\pi a^2 B_0$, negatif menandakan arah GGL melawan perubahan fluks (hukum Lenz). $\notag$
1.5.3 Teorema Green (Bidang)
Teorema Green adalah bentuk khusus teorema Stokes di bidang $xy$. Untuk medan $\mathbf{F} = F_x\hat{\mathbf{x}} + F_y\hat{\mathbf{y}}$ dan daerah $\mathcal{R}$ dengan batas $\mathcal{C}$:
Perhatikan bahwa integran di ruas kanan adalah tepat komponen-$z$ dari $\nabla\times\mathbf{F}$, konsisten dengan interpretasi teorema Green sebagai kasus 2D dari Stokes.
Gunakan teorema Green untuk menghitung luas elips $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$.
Strategi: Pilih $F_x = -\dfrac{y}{2}$, $\quad F_y = \dfrac{x}{2}$ sehingga $\dfrac{\partial F_y}{\partial x} - \dfrac{\partial F_x}{\partial y} = \dfrac{1}{2} - \left(-\dfrac{1}{2}\right) = 1$. Maka ruas kanan menjadi $\int_{\mathcal{R}} 1\,dx\,dy = $ luas daerah $\mathcal{R}$.
Parametrisasi elips: $x(t) = a\cos t$, $\quad y(t) = b\sin t$, $\quad 0 \leq t \leq 2\pi$ (berlawanan jarum jam).
Substitusi ke integral garis:
$-\dfrac{y}{2}\,dx + \dfrac{x}{2}\,dy = \dfrac{ab\sin^2 t}{2}\,dt + \dfrac{ab\cos^2 t}{2}\,dt = \dfrac{ab}{2}\,dt$
Integrasikan:
$A = \int_0^{2\pi}\dfrac{ab}{2}\,dt = \dfrac{ab}{2}\cdot 2\pi = \boldsymbol{\pi ab}$
Hasil ini konsisten dengan rumus luas elips standar. Untuk kasus khusus $a=b=R$, kita memperoleh $A = \pi R^2$ — luas lingkaran. $\notag$
1.5.4 Identitas Green
Dengan menerapkan teorema divergensi pada $\nabla\cdot(f\,\nabla g)$, diperoleh:
Identitas Green pertama:
Identitas Green kedua: (diperoleh dengan menukar $f$ dan $g$ lalu mengurangkan)
di mana $\partial g/\partial n = \nabla g\cdot\hat{\mathbf{n}}$ adalah turunan normal ke luar. Identitas Green kedua adalah alat utama untuk membuktikan keunikan solusi persamaan Laplace dan Poisson — yaitu, membuktikan bahwa persamaan $\nabla^2 V = -\rho/\varepsilon_0$ dengan syarat batas yang diberikan memiliki tepat satu solusi.
1.6 Sistem Koordinat Kurvilinier
Dalam elektrodinamika, banyak masalah memiliki simetri yang lebih alami diekspresikan dalam koordinat silinder atau bola daripada koordinat Kartesius. Sistem koordinat kurvilinier umum $(u_1, u_2, u_3)$ didefinisikan oleh fungsi transformasi $\mathbf{r}(u_1, u_2, u_3)$.
Dalam koordinat kurvilinier $(u_1, u_2, u_3)$, vektor basis lokal didefinisikan sebagai $\mathbf{e}_i = \partial\mathbf{r}/\partial u_i$. Faktor skala adalah besar vektor basis: $h_i = |\mathbf{e}_i|$. Vektor satuan lokal: $\hat{\mathbf{u}}_i = \mathbf{e}_i/h_i$. Elemen panjang busur:
1.6.1 Koordinat Silinder
| Koordinat | Transformasi | Faktor Skala |
|---|---|---|
| $s$ (sumbu) | $x = s\cos\phi,\; y = s\sin\phi$ | $h_s = 1$ |
| $\phi$ (azimuth) | $\phi = \arctan(y/x)$ | $h_\phi = s$ |
| $z$ (vertikal) | $z = z$ | $h_z = 1$ |
Dalam buku ini, koordinat silinder ditulis $(s, \phi, z)$ — bukan $(r, \phi, z)$ — untuk menghindari kebingungan dengan koordinat radial bola $r$. Simbol $r$ selalu dicadangkan untuk jarak dari titik asal dalam koordinat bola.
Dengan mensubstitusikan $h_s=1$, $h_\phi=s$, $h_z=1$ ke rumus umum kurvilinier:
Gradient:
Divergensi:
Curl:
Laplacian:
Hitung $\nabla\cdot\mathbf{F}$ untuk $\mathbf{F} = s\,\hat{\mathbf{s}}$ (medan radial silinder) dalam koordinat silinder, lalu verifikasi dalam Kartesius.
Silinder: $\nabla\cdot(s\,\hat{\mathbf{s}}) = \dfrac{1}{s}\dfrac{\partial}{\partial s}(s\cdot s) + 0 + 0 = \dfrac{1}{s}\cdot 2s = 2 \notag$
Verifikasi Kartesius: $\mathbf{F} = s\,\hat{\mathbf{s}} = x\,\hat{\mathbf{x}} + y\,\hat{\mathbf{y}} \notag$
$\nabla\cdot\mathbf{F} = \dfrac{\partial x}{\partial x} + \dfrac{\partial y}{\partial y} + 0 = 1 + 1 = 2 \;\checkmark \notag$
Perhatikan bahwa faktor $1/s$ dalam rumus silinder tepat mengkompensasi fakta bahwa area cincin bertambah dengan $s$. $\notag$
Medan magnetik di dalam solenoid ideal tak hingga: $\mathbf{B} = B_0\,\hat{\mathbf{z}}$ (konstan). Hitung $\nabla\times\mathbf{B}$.
$\nabla\times\mathbf{B} = \left(\dfrac{1}{s}\dfrac{\partial B_0}{\partial \phi} - 0\right)\hat{\mathbf{s}} + \left(0 - \dfrac{\partial B_0}{\partial s}\right)\hat{\boldsymbol{\phi}} + \dfrac{1}{s}\left[\dfrac{\partial}{\partial s}(s\cdot 0) - 0\right]\hat{\mathbf{z}} = \mathbf{0} \notag$
Konsisten dengan hukum Ampère: di dalam solenoid (jauh dari ujung), tidak ada arus yang mengalir melalui permukaan yang dibungkus, sehingga $\nabla\times\mathbf{B} = \mu_0\mathbf{J} = \mathbf{0}$. $\notag$
1.6.2 Koordinat Bola
| Koordinat | Transformasi | Faktor Skala |
|---|---|---|
| $r$ (radial) | $x = r\sin\theta\cos\phi,\; y = r\sin\theta\sin\phi,\; z = r\cos\theta$ | $h_r = 1$ |
| $\theta$ (polar) | $\theta = \arccos(z/r)$ | $h_\theta = r$ |
| $\phi$ (azimuth) | $\phi = \arctan(y/x)$ | $h_\phi = r\sin\theta$ |
Dengan mensubstitusikan $h_r=1$, $h_\theta=r$, $h_\phi=r\sin\theta$:
Gradient:
Divergensi:
Curl:
Laplacian:
Tentukan koordinat bola $(r, \theta, \phi)$ dari titik $P$ dengan koordinat Kartesius $(1, 1, \sqrt{2})$.
$r = \sqrt{1^2+1^2+(\sqrt{2})^2} = \sqrt{4} = 2 \notag$
$\theta = \arccos\!\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right) = \dfrac{\pi}{4} = 45° \notag$
$\phi = \arctan(1) = \dfrac{\pi}{4} = 45° \notag$
Jadi $P$ memiliki koordinat bola $(2, \pi/4, \pi/4)$. $\notag$
Tentukan koordinat silinder $(s, \phi, z)$ dari titik yang sama $P = (1, 1, \sqrt{2})$.
$s = \sqrt{1+1} = \sqrt{2}$, $\quad\phi = \arctan(1) = \dfrac{\pi}{4}$, $\quad z = \sqrt{2} \notag$
Jadi $P$ memiliki koordinat silinder $(\sqrt{2}, \pi/4, \sqrt{2})$. $\notag$
Hitung $\nabla\cdot\mathbf{F}$ untuk $\mathbf{F} = r^2\cos\theta\,\hat{\mathbf{r}}$.
$\nabla\cdot\mathbf{F} = \dfrac{1}{r^2}\dfrac{\partial}{\partial r}(r^2 \cdot r^2\cos\theta) = \dfrac{1}{r^2}\cdot 4r^3\cos\theta = 4r\cos\theta \notag$
Medan vektor potensial dari dipol magnetik $\mathbf{m} = m\hat{\mathbf{z}}$ adalah $\mathbf{A} = \dfrac{\mu_0}{4\pi}\dfrac{m\sin\theta}{r^2}\,\hat{\boldsymbol{\phi}}$. Hitung $\mathbf{B} = \nabla\times\mathbf{A}$.
Komponen-$r$: $\dfrac{1}{r\sin\theta}\left[\dfrac{\partial}{\partial\theta}\!\left(\sin\theta\cdot\dfrac{\mu_0 m\sin\theta}{4\pi r^2}\right)\right] = \dfrac{\mu_0 m}{4\pi r^3\sin\theta}\cdot 2\sin\theta\cos\theta = \dfrac{\mu_0 m}{4\pi}\dfrac{2\cos\theta}{r^3} \notag$
Komponen-$\theta$: $\dfrac{1}{r}\left[-\dfrac{\partial}{\partial r}\!\left(r\cdot\dfrac{\mu_0 m\sin\theta}{4\pi r^2}\right)\right] = \dfrac{1}{r}\left[-\dfrac{\mu_0 m\sin\theta}{4\pi}\!\left(\dfrac{-1}{r^2}\right)\right] = \dfrac{\mu_0 m}{4\pi}\dfrac{\sin\theta}{r^3} \notag$
Komponen-$\phi$: $0$. Sehingga: $\notag$
Ini adalah ekspresi standar medan dipol magnetik yang akan kita temukan kembali di Bab 5. $\notag$
Hitung $\nabla^2(r\cos\theta)$ dan $\nabla^2(r^2\cos^2\theta)$.
Pertama: $T = r\cos\theta = z$. Karena $z$ adalah koordinat Kartesius, $\nabla^2 z = 0$. Verifikasi dalam koordinat bola:
Kedua: $T = r^2\cos^2\theta$.
Komponen radial: $\dfrac{1}{r^2}\dfrac{\partial}{\partial r}(2r^3\cos^2\theta) = 6\cos^2\theta$
Komponen angular: $\dfrac{-2}{\sin\theta}\dfrac{\partial}{\partial\theta}(\sin^2\theta\cos\theta) = -4\cos^2\theta + 2\sin^2\theta = 2 - 6\cos^2\theta$
Hasil ini konstan — $r^2\cos^2\theta$ bukan solusi persamaan Laplace. Namun, $T = r^2(\cos^2\theta - \frac{1}{3}) = \frac{1}{3}r^2(3\cos^2\theta-1)$ dijamin memenuhi $\nabla^2 T = 0$. ∎
Tunjukkan bahwa untuk setiap fungsi skalar $f(r)$, medan radial $\mathbf{F} = f(r)\,\hat{\mathbf{r}}$ memiliki curl nol.
Dengan $F_r = f(r)$, $F_\theta = 0$, $F_\phi = 0$, evaluasi setiap komponen curl:
Komponen-$r$: $\dfrac{1}{r\sin\theta}\left[\dfrac{\partial}{\partial\theta}(\sin\theta\cdot 0) - \dfrac{\partial 0}{\partial\phi}\right] = 0 \notag$
Komponen-$\theta$: $\dfrac{1}{r}\left[\dfrac{1}{\sin\theta}\dfrac{\partial f(r)}{\partial\phi} - \dfrac{\partial}{\partial r}(r\cdot 0)\right] = 0 \notag$
Komponen-$\phi$: $\dfrac{1}{r}\left[\dfrac{\partial}{\partial r}(r\cdot 0) - \dfrac{\partial f(r)}{\partial\theta}\right] = 0 \notag$
Jadi $\nabla\times(f(r)\,\hat{\mathbf{r}}) = \mathbf{0}$ di mana-mana. $\notag$
Konsekuensi fisik: Medan listrik statis yang hanya memiliki komponen radial selalu konservatif — dapat ditulis sebagai gradient dari potensial skalar. $\notag$
Kelanjutan dari Contoh 1.23: untuk $\mathbf{F} = -y\hat{\mathbf{x}} + x\hat{\mathbf{y}} + z\hat{\mathbf{z}}$ dan lingkaran $\mathcal{C}$: $x^2+y^2=1$, $z=0$, hitung ulang menggunakan setengah bola $x^2+y^2+z^2=1$, $z\geq 0$.
Curl tetap $\nabla\times\mathbf{F} = 2\hat{\mathbf{z}}$. Pada permukaan bola: $d\mathbf{a} = \hat{\mathbf{r}}\sin\theta\,d\theta\,d\phi$ (dengan $R=1$). $\notag$
$(\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{a} = 2\hat{\mathbf{z}}\cdot\hat{\mathbf{r}}\,\sin\theta\,d\theta\,d\phi = 2\cos\theta\,\sin\theta\,d\theta\,d\phi$ $\notag$
$\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{\pi/2} 2\cos\theta\sin\theta\,d\theta\,d\phi = 2\pi\left[-\frac{1}{2}\cos(2\theta)\right]_0^{\pi/2} = 2\pi(1) = 2\pi \;\checkmark \notag$
Hasilnya identik dengan cakram datar — ini menunjukkan keindahan teorema Stokes: kita bebas memilih permukaan mana pun yang dibatasi oleh $\mathcal{C}$. $\notag$
1.6.3 Grad, Div, dan Curl dalam Koordinat Kurvilinier Umum
Dalam koordinat kurvilinier umum dengan faktor skala $h_1, h_2, h_3$, operator diferensial mengambil bentuk:
Gradient:
Divergensi:
Curl:
Laplacian:
Kartesius $(x,y,z)$: masalah tanpa simetri tertentu, atau bidang-bidang datar. Contoh: kapasitor pelat sejajar, gelombang plan.
Silinder $(s,\phi,z)$: masalah dengan simetri aksial — kawat tak hingga, silinder, solenoid, kabel koaksial.
Bola $(r,\theta,\phi)$: masalah dengan simetri bola — muatan titik, kulit bola, distribusi radial, dipol.
| Sistem | $(h_1, h_2, h_3)$ | $dl^2$ | $d\tau$ |
|---|---|---|---|
| Kartesius $(x,y,z)$ | $(1, 1, 1)$ | $dx^2+dy^2+dz^2$ | $dx\,dy\,dz$ |
| Silinder $(s,\phi,z)$ | $(1, s, 1)$ | $ds^2+s^2 d\phi^2+dz^2$ | $s\,ds\,d\phi\,dz$ |
| Bola $(r,\theta,\phi)$ | $(1, r, r\sin\theta)$ | $dr^2+r^2 d\theta^2+r^2\sin^2\!\theta\,d\phi^2$ | $r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\phi$ |
Elemen volume $d\tau = h_1 h_2 h_3\,du_1\,du_2\,du_3$ dan elemen luas permukaan yang tegak lurus terhadap $\hat{\mathbf{u}}_i$ adalah $da_i = h_j h_k\,du_j\,du_k$ (dengan $i,j,k$ berbeda dan siklis).
1.7 Transformasi Vektor Satuan antar Koordinat
Sering kali perlu mengubah komponen vektor dari satu sistem koordinat ke sistem lain. Vektor satuan bola dan silinder dapat dinyatakan dalam basis Kartesius, dan sebaliknya.
Dan inversnya (diperoleh dengan menginversikan matriks ortogonal):
Tunjukkan bahwa $\hat{\mathbf{r}} = \sin\theta\cos\phi\,\hat{\mathbf{x}} + \sin\theta\sin\phi\,\hat{\mathbf{y}} + \cos\theta\,\hat{\mathbf{z}}$ benar-benar merupakan vektor satuan.
$|\hat{\mathbf{r}}| = \sqrt{\sin^2\theta\cos^2\phi + \sin^2\theta\sin^2\phi + \cos^2\theta} = \sqrt{\sin^2\theta(\cos^2\phi+\sin^2\phi) + \cos^2\theta} = \sqrt{\sin^2\theta + \cos^2\theta} = 1 \;\checkmark \notag$
Ini mengonfirmasi bahwa transformasi $(r,\theta,\phi) \to (x,y,z)$ mempertahankan panjang — yaitu, ia adalah transformasi ortogonal. $\notag$
Vektor $\mathbf{F} = \hat{\mathbf{z}}$ dalam koordinat bola menjadi apa?
$\hat{\mathbf{z}} = \cos\theta\,\hat{\mathbf{r}} - \sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\theta}}$
Jadi dalam koordinat bola, medan seragam searah $\hat{\mathbf{z}}$ memiliki komponen $F_r = \cos\theta$ dan $F_\theta = -\sin\theta$, tanpa komponen $\phi$.
Aplikasi: Ini persis yang diperlukan untuk menghitung potensial listrik dari bola konduktor dalam medan listrik seragam (masalah klasik Bab 3).
Tunjukkan bahwa $\hat{\mathbf{x}}$ dapat ditulis dalam koordinat silinder dan verifikasi.
Dalam silinder: $\hat{\mathbf{x}} = \cos\phi\,\hat{\mathbf{s}} - \sin\phi\,\hat{\boldsymbol{\phi}}$.
Verifikasi: $\cos\phi\,\hat{\mathbf{s}} - \sin\phi\,\hat{\boldsymbol{\phi}} = \cos\phi(\cos\phi\,\hat{\mathbf{x}}+\sin\phi\,\hat{\mathbf{y}}) - \sin\phi(-\sin\phi\,\hat{\mathbf{x}}+\cos\phi\,\hat{\mathbf{y}})$
$= (\cos^2\phi+\sin^2\phi)\hat{\mathbf{x}} + (\cos\phi\sin\phi-\sin\phi\cos\phi)\hat{\mathbf{y}} = \hat{\mathbf{x}}$ $\;\checkmark$
Vektor satuan $\hat{\mathbf{s}}$, $\hat{\boldsymbol{\phi}}$, $\hat{\boldsymbol{\theta}}$, $\hat{\mathbf{r}}$ berubah arah dari titik ke titik, berbeda dengan $\hat{\mathbf{x}}$, $\hat{\mathbf{y}}$, $\hat{\mathbf{z}}$ yang konstan. Hitung $\partial\hat{\mathbf{r}}/\partial\theta$.
Dari ekspresi $\hat{\mathbf{r}} = \sin\theta\cos\phi\,\hat{\mathbf{x}} + \sin\theta\sin\phi\,\hat{\mathbf{y}} + \cos\theta\,\hat{\mathbf{z}}$:
$\dfrac{\partial\hat{\mathbf{r}}}{\partial\theta} = \cos\theta\cos\phi\,\hat{\mathbf{x}} + \cos\theta\sin\phi\,\hat{\mathbf{y}} - \sin\theta\,\hat{\mathbf{z}} = \hat{\boldsymbol{\theta}}$
Demikian pula: $\dfrac{\partial\hat{\mathbf{r}}}{\partial\phi} = -\sin\theta\sin\phi\,\hat{\mathbf{x}} + \sin\theta\cos\phi\,\hat{\mathbf{y}} = \sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\phi}}$
Hubungan lengkapnya:
Hubungan ini penting ketika menghitung turunan total dari vektor yang dinyatakan dalam basis kurvilinier.
1.8 Tabel Ringkasan Identitas Kalkulus Vektor
| No. | Identitas |
|---|---|
| 1 | $\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{F}) = 0$ |
| 2 | $\nabla\times(\nabla T) = \mathbf{0}$ |
| 3 | $\nabla\cdot(f\mathbf{A}) = (\nabla f)\cdot\mathbf{A} + f(\nabla\cdot\mathbf{A})$ |
| 4 | $\nabla\times(f\mathbf{A}) = (\nabla f)\times\mathbf{A} + f(\nabla\times\mathbf{A})$ |
| 5 | $\nabla(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B}) = \mathbf{A}\times(\nabla\times\mathbf{B}) + \mathbf{B}\times(\nabla\times\mathbf{A}) + (\mathbf{A}\cdot\nabla)\mathbf{B} + (\mathbf{B}\cdot\nabla)\mathbf{A}$ |
| 6 | $\nabla\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = \mathbf{B}\cdot(\nabla\times\mathbf{A}) - \mathbf{A}\cdot(\nabla\times\mathbf{B})$ |
| 7 | $\nabla\times(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = (\mathbf{B}\cdot\nabla)\mathbf{A} - (\mathbf{A}\cdot\nabla)\mathbf{B} + \mathbf{A}(\nabla\cdot\mathbf{B}) - \mathbf{B}(\nabla\cdot\mathbf{A})$ |
| 8 | $\nabla\times(\nabla\times\mathbf{A}) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf{A}) - \nabla^2\mathbf{A}$ |
| 9 | $\nabla\cdot(r^n\,\hat{\mathbf{r}}) = (n+2)\,r^{n-1}$ |
| 10 | $\nabla^2(1/r) = -4\pi\,\delta^3(\mathbf{r})$ |
| 11 | $\nabla(1/\mathscr{r}) = -(\mathbf{r}-\mathbf{r}')/\mathscr{r}^3$ dengan $\mathscr{r}=|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|$ |
| 12 | $\int_{\mathcal{V}}\nabla\cdot\mathbf{F}\,d\tau = \oint_{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{a}$ (Gauss) |
| 13 | $\int_{\mathcal{S}}(\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{a} = \oint_{\mathcal{C}}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l}$ (Stokes) |
Identitas nomor 8 — $\nabla\times(\nabla\times\mathbf{A}) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf{A}) - \nabla^2\mathbf{A}$ — dikenal sebagai identitas kurl-ganda dan merupakan kunci untuk membuktikan bahwa persamaan gelombang EM terpisah menjadi persamaan gelombang skalar untuk setiap komponen dalam ruang bebas.
Dalam elektrostatik, $\nabla\times\mathbf{E}=\mathbf{0}$ dan $\nabla\cdot\mathbf{E}=\rho/\varepsilon_0$. Gunakan identitas kurl-ganda untuk menurunkan persamaan Poisson.
Dari $\nabla\times\mathbf{E}=\mathbf{0}$, kita tahu $\mathbf{E}=-\nabla V$. Substitusi ke hukum Gauss:
$\nabla\cdot\mathbf{E} = \nabla\cdot(-\nabla V) = -\nabla^2 V = \rho/\varepsilon_0$
Di region tanpa muatan ($\rho=0$), ini menjadi $\nabla^2 V = 0$ (persamaan Laplace).
Dalam magnetostatik, $\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\mathbf{J}$ dan $\nabla\cdot\mathbf{B}=0$. Gunakan identitas kurl-ganda.
$\nabla\times\mathbf{B} = \nabla\times(\nabla\times\mathbf{A}) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf{A}) - \nabla^2\mathbf{A}$
Dengan pemilihan gauge Coulomb ($\nabla\cdot\mathbf{A}=0$):
Setiap komponen memenuhi persamaan Poisson skalar, sehingga solusinya langsung:
Ini adalah rumus integral umum untuk potensial vektor magnetik — paralel sempurna dengan $V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{\rho(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}\,d\tau'$ dalam elektrostatik.
Dalam derivasi hukum Biot–Savart, diperlukan $\nabla' (1/\mathscr{r})$ di mana $\nabla'$ beroperasi pada $\mathbf{r}'$. Tunjukkan bahwa $\nabla'(1/\mathscr{r}) = (\mathbf{r}-\mathbf{r}')/\mathscr{r}^3$.
Perhatikan bahwa $\nabla'(1/\mathscr{r}) = -\nabla(1/\mathscr{r})$. Hubungan simetris ini bertindak sebagai jembatan matematika utama dalam pembuktian kesetaraan hukum Biot–Savart terhadap hukum Ampère.
1.9 Fungsi Delta Dirac dalam Tiga Dimensi
Beberapa hasil di bab ini melibatkan "singularitas" yang secara formal ditangani menggunakan fungsi delta Dirac.
Fungsi delta Dirac tiga dimensi didefinisikan oleh sifat penyaringannya:
untuk setiap fungsi uji $f$ yang kontinu di $\mathbf{r}$. Dalam koordinat Kartesius: $\delta^3(\mathbf{r}) = \delta(x)\delta(y)\delta(z)$. Dalam koordinat bola:
Faktor $1/(r^2\sin\theta)$ memastikan $\int\delta^3(\mathbf{r})\,d\tau = 1$ ketika $d\tau = r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\phi$.
Verifikasi bahwa $\nabla\cdot(\hat{\mathbf{r}}/r^2) = 4\pi\delta^3(\mathbf{r})$ dengan mengintegralkan kedua ruas atas bola radius $R$.
Ruang kiri (integral divergensi = fluks, oleh Gauss):
$\int_{\mathcal{V}}\nabla\cdot\!\left(\frac{\hat{\mathbf{r}}}{r^2}\right)d\tau = \oint_{r=R}\frac{\hat{\mathbf{r}}}{R^2}\cdot\hat{\mathbf{r}}\,da = \frac{1}{R^2}\cdot 4\pi R^2 = 4\pi$
Ruang kanan: $\int_{\mathcal{V}}4\pi\delta^3(\mathbf{r})\,d\tau = 4\pi\cdot 1 = 4\pi \;\checkmark$
Kedua ruas sama untuk setiap $R > 0$, mengkonfirmasi identitas.
Tunjukkan bahwa $\nabla^2(1/r) = -4\pi\delta^3(\mathbf{r})$ mengimplikasikan bahwa solusi umum persamaan Poisson $\nabla^2 V = -\rho/\varepsilon_0$ adalah $V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int\dfrac{\rho(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}\,d\tau'$.
Bukti sketsa. Tulis $V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{\rho(\mathbf{r}')}{\mathscr{r}}\,d\tau'$ dengan $\mathscr{r}=|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|$. Maka:
$\nabla^2 V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \rho(\mathbf{r}')\,\nabla^2\!\left(\dfrac{1}{\mathscr{r}}\right)d\tau' = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \rho(\mathbf{r}')\,[-4\pi\delta^3(\mathbf{r}-\mathbf{r}')]\,d\tau' = -\dfrac{1}{\varepsilon_0}\rho(\mathbf{r}) \;\blacksquare$
Ini menunjukkan bahwa $G(\mathbf{r},\mathbf{r}') = 1/(4\pi|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|)$ adalah fungsi Green operator Laplacian di $\mathbb{R}^3$ — ia "membalikkan" operator $\nabla^2$. Konsep ini meluas ke persamaan gelombang dan persamaan Schrödinger.
1.10 Tensor Dyadik (Pengantar)
Dalam elektrodinamika lanjut — terutama saat membahas tekanan Maxwell dan momentum medan — diperlukan konsep tensor orde dua (dyadik).
Dyadik (produk tensor) dari dua vektor $\mathbf{A}$ dan $\mathbf{B}$ didefinisikan sebagai:
Contoh penting: tensor satuan $\overline{\overline{\mathbf{I}}} = \hat{\mathbf{x}}\hat{\mathbf{x}}+\hat{\mathbf{y}}\hat{\mathbf{y}}+\hat{\mathbf{z}}\hat{\mathbf{z}}$, yang memenuhi $\overline{\overline{\mathbf{I}}}\cdot\mathbf{A}=\mathbf{A}$ untuk setiap $\mathbf{A}$.
Tensor dyadik muncul secara alami dalam ekspresi tekanan medan elektromagnetik $\overline{\overline{\mathbf{T}}}$, yang merupakan tensor orde dua dengan 9 komponen. Misalnya, tekanan Maxwell dalam ruang bebas: $\overline{\overline{\mathbf{T}}} = \varepsilon_0\!\left(\mathbf{E}\mathbf{E} - \tfrac{1}{2}E^2\overline{\overline{\mathbf{I}}}\right) + \tfrac{1}{\mu_0}\!\left(\mathbf{B}\mathbf{B} - \tfrac{1}{2}B^2\overline{\overline{\mathbf{I}}}\right)$. Gaya pada muatan dalam volume $\mathcal{V}$ diberikan oleh $\mathbf{F} = \oint_{\mathcal{S}}\overline{\overline{\mathbf{T}}}\cdot d\mathbf{a}$ — generalisasi teorema Gauss untuk tensor.
Hitung $\hat{\mathbf{r}}\hat{\mathbf{r}}\cdot\mathbf{A}$ untuk $\mathbf{A} = A_r\hat{\mathbf{r}} + A_\theta\hat{\boldsymbol{\theta}} + A_\phi\hat{\boldsymbol{\phi}}$.
Jadi $\hat{\mathbf{r}}\hat{\mathbf{r}}$ adalah proyektor radial — ia mengekstrak komponen radial dari vektor apa pun. Demikian pula, $(\overline{\overline{\mathbf{I}}}-\hat{\mathbf{r}}\hat{\mathbf{r}})\cdot\mathbf{A} = A_\theta\hat{\boldsymbol{\theta}}+A_\phi\hat{\boldsymbol{\phi}}$ mengekstrak komponen transversal.
- Diberikan $\mathbf{A} = 3\hat{\mathbf{x}} - \hat{\mathbf{y}} + 2\hat{\mathbf{z}}$ dan $\mathbf{B} = \hat{\mathbf{x}} + 2\hat{\mathbf{y}} - \hat{\mathbf{z}}$. Hitung: (a) $\mathbf{A}+\mathbf{B}$, (b) $\mathbf{A}\cdot\mathbf{B}$, (c) $\mathbf{A}\times\mathbf{B}$, (d) sudut antara keduanya, (e) $\text{proj}_{\mathbf{B}}\mathbf{A}$.
- Buktikan identitas BAC-CAB: $\mathbf{A}\times(\mathbf{B}\times\mathbf{C}) = \mathbf{B}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{C}) - \mathbf{C}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B})$ dengan mengekspansi komponen-komponennya dalam basis Kartesius.
- Tentukan $\nabla T$ dan $\nabla^2 T$ untuk $T = x^2 y + y^2 z + z^2 x$. Hitung $\nabla T$ di titik $(1, 2, 3)$ dan tunjukkan arah kenaikan paling curam.
- Untuk $\mathbf{F} = xy\,\hat{\mathbf{x}} + yz\,\hat{\mathbf{y}} + zx\,\hat{\mathbf{z}}$, hitung $\nabla\cdot\mathbf{F}$ dan $\nabla\times\mathbf{F}$. Verifikasi bahwa $\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{F}) = 0$.
- Perlu §1.6 Sebuah medan radial didefinisikan sebagai $\mathbf{F} = f(r)\,\hat{\mathbf{r}}$ dengan $r = \sqrt{x^2+y^2+z^2}$. Tunjukkan bahwa $\nabla\times\mathbf{F} = \mathbf{0}$ untuk setiap $f(r)$, dan hitung $\nabla\cdot\mathbf{F}$ dalam koordinat bola.
- Hitung $\nabla^2(1/r)$ untuk $r \neq 0$. Jelaskan mengapa hasil formalnya $0$ tidak cukup, dan tuliskan ekspresi lengkap yang melibatkan fungsi delta Dirac.
- Sebuah titik $P$ memiliki koordinat Kartesius $(1, 1, \sqrt{2})$. Tentukan koordinat bola $(r, \theta, \phi)$ dan koordinat silinder $(s, \phi, z)$-nya.
- Perlu §1.6 Turunkan ekspresi divergensi dalam koordinat silinder $(s, \phi, z)$ dari rumus umum kurvilinier. Verifikasi hasilnya dengan menghitung $\nabla\cdot\mathbf{F}$ untuk $\mathbf{F} = s\,\hat{\mathbf{s}}$ langsung menggunakan definisi limit divergensi.
- Verifikasi teorema Stokes untuk $\mathbf{F} = y^2\hat{\mathbf{x}} + x^2\hat{\mathbf{y}} + z^2\hat{\mathbf{z}}$ pada segitiga dengan titik-titik sudut $(0,0,0)$, $(1,0,0)$, $(0,1,0)$.
- Tunjukkan bahwa $\nabla\times(\nabla\times\mathbf{A}) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf{A}) - \nabla^2\mathbf{A}$ dengan mengekspansi dalam komponen Kartesius.
- Hitung fluks $\mathbf{F} = r\hat{\mathbf{r}}$ melalui permukaan bola $r=a$: (a) secara langsung, dan (b) menggunakan teorema Gauss. Bandingkan.
- Perlu §1.6–1.7 Sebuah vektor dinyatakan sebagai $\mathbf{F} = r\sin\theta\,\hat{\mathbf{r}} + r\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\theta}}$ dalam koordinat bola. Konversikan ke komponen Kartesius $\mathbf{F} = F_x\hat{\mathbf{x}}+F_y\hat{\mathbf{y}}+F_z\hat{\mathbf{z}}$ dan sederhanakan hasilnya.
- Tunjukkan identitas $\nabla\cdot(\mathbf{A}\times\mathbf{B}) = \mathbf{B}\cdot(\nabla\times\mathbf{A}) - \mathbf{A}\cdot(\nabla\times\mathbf{B})$ dengan ekspansi komponen. Identitas ini digunakan dalam pembuktian kekekalan muatan dari persamaan Maxwell.
- Gunakan identitas Green kedua dengan $f = 1/r$ dan $g = V$ (potensial listrik) untuk menurunkan rumus representasi integral $V(\mathbf{r}) = \dfrac{1}{4\pi}\oint\left[\dfrac{1}{\mathscr{r}}\dfrac{\partial V}{\partial n'} - V\dfrac{\partial}{\partial n'}\!\left(\dfrac{1}{\mathscr{r}}\right)\right]da'$.
- (Latihan Proyek) Pilih salah satu dari: (a) Turunkan semua rumus operator diferensial dalam koordinat silinder dari rumus kurvilinier umum secara eksplisit. (b) Buktikan bahwa $\hat{\mathbf{r}}\hat{\mathbf{r}} + \hat{\boldsymbol{\theta}}\hat{\boldsymbol{\theta}} + \hat{\boldsymbol{\phi}}\hat{\boldsymbol{\phi}} = \overline{\overline{\mathbf{I}}}$ (tensor satuan dalam basis bola).
Alat-alat kalkulus vektor yang kita kembangkan dalam bab ini — gradient, divergensi, curl, teorema Gauss dan Stokes, serta sistem koordinat kurvilinier — membentuk "bahasa" seluruh elektrodinamika. Keempat persamaan Maxwell semuanya dinyatakan dalam operator $\nabla$: dua melibatkan divergensi (hukum Gauss listrik dan magnetik), dua melibatkan curl (hukum Faraday dan Ampère–Maxwell). Di bab-bab berikutnya, kita akan berulang kali menggunakan identitas-identitas dari bab ini tanpa penurunan ulang — kuasailah mereka dengan baik.