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/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / physics / 12130 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-07-31  |  5.0 KB

  1. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!ut-emx!johncobb
  2. From: johncobb@ut-emx.cc.utexas.edu (John W. Cobb)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Generalized Ohm's Law (was: Defining Photons)
  5. Message-ID: <76905@ut-emx.uucp>
  6. Date: 31 Jul 92 18:17:28 GMT
  7. References: <3946@cruzio.santa-cruz.ca.us> <FRANL.92Jul28173419@draco.centerline.com>
  8. Sender: news@ut-emx.uucp
  9. Reply-To: johncobb@ut-emx.cc.utexas.edu (John W. Cobb)
  10. Organization: The University of Texas at Austin
  11. Lines: 97
  12.  
  13. In article <FRANL.92Jul28173419@draco.centerline.com>,
  14. franl@centerline.com (Fran Litterio) writes:
  15. |>snarfy@cruzio.santa-cruz.ca.us writes:
  16. |>
  17. |>> ``I'M JUST TRYING TO POINT OUT THAT OHM'S LAW DOESN'T  INCLUDE  A
  18. |>> TIME   OR   DISTANCE   FACTOR''  Screams  Snarfy.``  That  allows
  19. |>> communication of information about changes  the  rate  of  energy
  20. |>> transfer  back  to  the  E  transmitter from the E receiver to be
  21. |>> instantaneous once a connection is made, by means of lowering the
  22. |>> impedance of the receiving object! ''
  23. |>
  24. |>I'm not an expert on the subject, but I could swear that I've heard
  25. |>that Ohm's Law was never an exact description of reality in the first
  26. |>place (even before QM and relativity).  If so, the obvious question
  27. |>is: Does whatever passes for the modern replacement for Ohm's Law (if
  28. |>such exists) also lack a time parameter?
  29. |>--
  30. No, not at all, but it can get really complicated fast. Ohm's law
  31. (or its generalizations) are not fundamental laws. They are derived from
  32. other laws in specific situations. Usually Ohm's law is derived as
  33. J = \sigma E jeuristically when one talks of charge carriers moving in
  34. a solid with some scatterers. [Note the usual V=IR statement of Ohm's law
  35. is derived from the J= \sigma E by integrating across a cross-section of
  36. the current flow and then along the direction of flow.]
  37.  
  38. So if you want a generalized ohm's law you need to frist specify what
  39. type of problem you are looking at. Are you looking at conduction in a
  40. metal lattice? a semi-conductor? a Quantum fluid? a fluid plasma? a
  41. kinetic plasms? etc. In each case knoweldge of Maxwell's equations as
  42. well as knowledge of the microscopic dynamics of the system (classical
  43. or quantum) are combined to try to find a relationship between the
  44. loca lelectric field and the local current density. Except for the 
  45. simplist cases, this relationship involves other entities like the
  46. magnetic field or frequency of oscilation, etc.
  47.  
  48.  
  49. Let me just give one example. The reference here is Krall and Trivielpeice's
  50. plasma textbook, <Principles of Plasms Physics>. In a fluid derivation
  51. from considering two fluids, electrons and ions. Taking the moment
  52. equations for fluid momentum and subtracting one gets equation 3.5.9
  53. on p. 91 which reads (orally) as:
  54.  
  55. partial J wrt to t + divergence of {sum of three dyadics[VJ + JV + 
  56. VV*charge density]} = E * [(density*charge^2/mass)_electron + 
  57. (density*charge^2/mass)_ion]
  58. +{e*e[(1/Me)+(1/Mi)]/c}*mass_density* (V X B) / (Me + Mi) -
  59. (e/c)[Mi/Me - Me/Mi]* (J X B) /(Me + Mi) - 
  60. (e/Me)* Divergence {(Me/Mi)*(Center of Mass Ion Pressure Tensor) -
  61. Center of mass electron Pressure tensor} + sum ov species a {Integral
  62. over velocity space [charge_a * average_density_a * V (partial derivative
  63. of the one-particle distribution function with respect to time due to
  64. collisions)]}
  65.  
  66. where:
  67. J = total curent
  68. V = combined Velocity field (velocity of center of mass of loacl fluid)
  69. E = Electric Field
  70. B = Magnetic Field (Magnetic Induction for nitpickers out there)
  71. Me = electron mass
  72. Mi = ion mass
  73. e = |electron charge|
  74.  
  75. This applies to free charge carriers that act as a fluid. That is it is
  76. derivable from a Boltzman equation (first order BBGKY heirarchy). So it
  77. excludes highly ordered systems like degenerate quantum systems or close
  78. packed hard sphere systems. however, otherwise it is very general.
  79.  
  80. Now take the limit where B=0, V=0 and steady state (i.e.  Partial J /
  81. partial t = 0).
  82.  
  83. The collision integral can be approximated as a collision frequency
  84. times the current. That is the integrand is density*velocity*charge.
  85. This is summed over species so it looks like a current if we approximate
  86. the collisional time derivative as a collision frequency \nu.
  87. Define the conductivity as \sigma= 1/(\eta) = ne^2/(\nu M_e).
  88.  
  89. Then the above horrible expression reduces to: E=\sigma J, and
  90. one has derived the conductivity explicitly.
  91.  
  92. As a personal aside. Approximating the collision integral by a collision
  93. frequencyt is valid for systems near a Maxwellian, but exotic non-maxwellain
  94. cases exist, so there is a possibility for some really weird situaions far
  95. from equilibrium. Just another example where systems far from equilibrium
  96. can behave very differently.
  97.  
  98. Well, I'm afraid that what I wrote above may be difficult to decipher.
  99. Perhaps you can write it in pencil at your deskside, or better yet go
  100. look at Krall and Trivielpiece. I hope this is at least a little
  101. helpful.
  102.  
  103. BTW, one of the Authors, Trivielpiece is now head of Oak Ridge. He used to
  104. be head of DOE's OER. I don't know if he gets a chance to do much physics
  105. anymore.
  106.  
  107. john w. cobb
  108. jwc@fusion.ph.utexas.edu
  109.  
  110.