忘却の微分方程式(153) Maxima、ploteqで等電位面をプロットするのよ

Joseph Halfmoon

前回はplotdfパッケージをロードし、plotdf関数を試用。2次元の「ベクトル場を表示」しつつ、その中にマウスで境界条件を指定すると、積分した解曲線を表示してくれました。今回は同じplotdfパッケージに含まれるもう一つのプロット関数 ploteq を試用してみます。等電位面(線)、電気力線を描いてくれるんだとか。

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※MaximaおよびそのGUIであるwxMaximaの以下バージョンを使用させていただいております。

    • Maxima 5.46.0(x86_64-w64-mingw32)
    • wxMaxima 22.04.0
ploteq

ploteq関数は前回のplotdfパッケージをロードするともれなく付いてくるみたいです。ploteqの解説が以下に。

https://flex.phys.tohoku.ac.jp/texi/maxima-ja/maxima_22.html#SEC113

端的な例では電場のようなベクトル場の中で「等電位面(プロットは2次元なので線だけど)」や「電気力線」に相当するものを描いてくれる関数みたいです。

忘却力の老人はクーロンの法則すら危ういので下に書いておきます。CoulombLaw

実際には電位を描くので Vは何か「比例定数を距離で割る」形になっていれば、後はploteqが良きに計らって「場」を計算してくれるみたいです。今回、2つの「点電荷」を(x0, y0)および(x1, y1)に置いた場合の例を計算しているので、こんな感じの式で定義すればよいみたいです。equipotential

似たような「場」は自然界にはいろいろあると思うので、等電位面に限らず、いろいろ描けるのでないの?と思います。知らんけど。

なお、調べていたら神戸大の人が電気力線シミュレータというものを公開されてました。

https://www2.kobe-u.ac.jp/~wakasugi/mats/elecflux/

電荷の種類は-5から1ステップ(0は除く)で+5までの10段階ですが、ドラッグ&ドロップでお好みの場所に電荷を置き、電気力線、等電位面だけでなく電場ベクトルもそこはかとなく描いてくださるので興味深いデス。

解説ページの例

解説ページに掲載されていた以下の例をやってみます。

V: 900/((x+1)^2+y^2)^(1/2)-900/((x-1)^2+y^2)^(1/2)$
ploteq(V,[x,-2,2],[y,-2,2],[fieldlines,"blue"])$

最初プロットはブランクです。電荷は(-1, 0)に+、(1, 0)に‐がおいてある想定です。blank

上の画面の上で、適当な場所をクリックすると、こんな感じ。freehand2

クリックした点付近に青色矢印が表示されています。青の線が電気力線すかね。赤がクリックした点を通る等電位面(線)のようです。freehand

手作業で場所をプロットしているので、上の図などは等間隔になってません。数値指定で等間隔のプロットさせるのはどうしたら良いのだろうか?この関数は手動用?よくわからんなあ。

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