Poisson Equation for Dirac Delta and Point Charge Potential

Symbol Definitions

SymbolMeaning
Position vector
Three-dimensional Dirac delta function
Volume
Scalar potential
Scale factors in curvilinear coordinates
Unit normal vector

Overview

디락 델타 함수와 포아송 방정식의 관계를 이해하고, 점전하의 정전기 퍼텐셜이 어떻게 유도되는지 다룬다.

Key Points

1. 라플라시안과 디락 델타 함수

You can't use 'macro parameter character #' in math mode\nabla^2 \left(\frac{1}{r}\right) = -4\pi \delta^3(x,y,z) \tag{1}$$ *여기서 $\delta^3(x,y,z)$는 3차원에서 디락 delta 함수.* ### 2. 유도 과정 라플라시안의 성질을 이용하면:

\nabla^2 \left(\frac{1}{r}\right) = \nabla \cdot \left(\nabla \frac{1}{r}\right) \tag{2}

\nabla \frac{1}{r} = -\frac{1}{r^2}\hat{r} \tag{3}

\nabla \cdot \left(\frac{\hat{r}}{r^2}\right) = 4\pi \delta^3(x,y,z) \tag{4}

You can't use 'macro parameter character #' in math mode ### 3. Divergence Theorem 적용 임의의 부피 $V$에 대해 양변을 적분하면:

\int_V \nabla \cdot \left(\frac{\hat{r}}{r^2}\right) dV = \oint_{S=V\text{의 경계}} \frac{\hat{r}}{r^2} \cdot \hat{n} , da = \frac{1}{R^2} \oint |da| = \frac{4\pi R^2}{R^2} = 4\pi \tag{5}

You can't use 'macro parameter character #' in math mode *만약 $V$가 원점의 중심인 반지름 $R$ 구라면 $r = R$이므로.* 부피적분을 면적분으로 변환한다. ### 4. 중간 결론

\int_V \nabla \cdot \left(\frac{\hat{r}}{r^2}\right) dV = 4\pi \tag{6}

You can't use 'macro parameter character #' in math mode 이어서 원점을 제외한 위치에서 $\nabla \cdot \frac{\hat{r}}{r^2} = 0$임을 보일 것이다. 디락 델타 함수의 정의에 의해 식 $\eqref{eq:laplacian-delta}$가 성립한다. ## Curvilinear Coordinates 일반 좌표계에서 divergence 기본 공식: *$h_1, h_2, h_3$가 각각 scale factor일 때:*

\nabla \cdot \vec{A} = \frac{1}{h_1 h_2 h_3} \left{ \frac{\partial}{\partial x_1}(A_1 h_2 h_3) + \frac{\partial}{\partial x_2}(A_2 h_1 h_3) + \frac{\partial}{\partial x_3}(A_3 h_1 h_2) \right} \tag{7}

You can't use 'macro parameter character #' in math mode ### Spherical Coordinates 구면좌표계에서는 $h_r = 1$, $h_\theta = r\sin\theta$, $h_\phi = r$이므로:

\nabla \cdot \vec{A} = \frac{1}{r^2 \sin\theta} \left{ \frac{\partial}{\partial r}(r^2 \sin\theta A_r) + \frac{\partial}{\partial \theta}(r A_\theta) + \frac{\partial}{\partial \phi}(r\sin\theta A_\phi) \right} \tag{8}

\nabla \cdot \frac{\hat{r}}{r^2} = \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}\left(r^2 \cdot \frac{1}{r^2}\right) = 0 \quad (r \neq 0) \tag{9}

= \infty \quad (\text{at } r = 0) \tag{10}

You can't use 'macro parameter character #' in math mode *이러한 성질로 가정 $\nabla \cdot \frac{\hat{r}}{r^2}$이 디락 델타의 정의를 만족함을 알 수 있다.* ## Questions & Insights - Divergence theorem을 이용해 디락 델타 함수의 적분 표현을 얻을 수 있다는 점이 흥미롭다. - 원점에서의 특이점(singularity) 처리가 디락 델타 함수의 핵심이다. - *왜 $4\pi$라는 계수가 나오는가? → 단위 구의 표면적이 $4\pi R^2$이기 때문.* - 이는 쿨롱 법칙에서 $4\pi$ 계수가 등장하는 것으로 직결된다. ## Related Concepts [[맥스웰 방정식 외우기]] - [[Dirac Delta Function]] ## References - https://youtu.be/0_Qw39mKrjQ ![[Pasted image 20251026220325.png]] ![[Pasted image 20251026220335.png]] ## Notes from Claude 디락 델타 함수는 물리학에서 점전하, 점질량 등 이상화된 개념을 수학적으로 다루기 위한 도구다. $\nabla^2(1/r) = -4\pi\delta^3(\vec{r})$는 전자기학의 포아송 방정식과 직결되며, 점전하의 퍼텐셜 $\phi = q/(4\pi\epsilon_0 r)$를 유도하는 기반이 된다. Divergence theorem의 적용은 미분 형태의 관계식을 적분 형태로 변환하여 물리적 의미를 명확히 하는 강력한 방법이다.