Chapter 9 - 麦克斯韦方程组

位移电流

假设静电场的高斯定理也适用于变化的电场,可以定义位移电流:

Id=SDtdsI_d = \iint\limits_S \frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\cdot \mathrm{d}\vec{s}

因此,位移电流密度为:

jd=Dt=ε0Et+Pt\vec{j}_d = \frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t} = \varepsilon_0\frac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t} + \frac{\partial\overrightarrow{P}}{\partial t}

位移电流实际上是由变化的电场引发的电流,其可以保证非稳恒电流的连续性,例如可以认为,在电容器的充电过程中,两板间存在着位移电流

位移电流也可以激发磁场,因此可以扩充 H\overrightarrow{H} 的环路定理:

LHdl=(I0+Id)=S(j0+Dt)ds\oint_L\overrightarrow{H}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = \sum\left(I_0 + I_d\right) = \iint\limits_{S}\left(\vec{j}_0 + \frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\right)\cdot\mathrm{d}\vec{s}

这被称为全电流定律

麦克斯韦方程组

设空间既有自由电荷和传导电流,又有变化的电场和磁场,同时还有电介质和磁介质,则满足一下定律:

  1. 静电场和感生电场叠加的安培环路定理:

LEdl=SBtds\oint_L\overrightarrow{E}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = -\iint\limits_{S}\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\mathrm{d}\vec{s}

  1. D\overrightarrow{D} 的高斯定理

SDds=VρdV\oiint\limits_{S} \overrightarrow{D}\cdot\mathrm{d}\vec{s} = \iiint\limits_{V}\rho\,\mathrm{d}V

  1. 全电流定律:

LHdl=S(j0+Dt)ds\oint_L\overrightarrow{H}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = \iint\limits_{S}\left(\vec{j}_0 + \frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\right)\cdot\mathrm{d}\vec{s}

  1. 磁通连续定律:

SBds=0\oiint\limits_{S}\overrightarrow{B}\cdot\mathrm{d}\vec{s} = 0

  1. 各向同性介质的性能方程(最后一个为欧姆定律):

D=ε0εrE,B=μ0μrH,j=σE\overrightarrow{D} = \varepsilon_0\varepsilon_r \overrightarrow{E},\quad \overrightarrow{B} = \mu_0\mu_r\overrightarrow{H},\quad\vec{j} = \sigma\overrightarrow{E}

  1. 洛伦兹力(用于预测粒子运动)

F=qE+qv×B\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E} + q\vec{v}\times\overrightarrow{B}

积分形式

{LEdl=SBtds(1)SDds=VρdV(2)LHdl=S(j0+Dt)ds(3)SBds=0(4)\begin{cases} \oint_L\overrightarrow{E}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = -\iint\limits_{S}\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\mathrm{d}\vec{s} & (1) \\[1em] \oiint\limits_{S} \overrightarrow{D}\cdot\mathrm{d}\vec{s} = \iiint\limits_{V}\rho\,\mathrm{d}V & (2) \\[1em] \oint_L\overrightarrow{H}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = \iint\limits_{S}\left(\vec{j}_0 + \frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\right)\cdot\mathrm{d}\vec{s} & (3) \\[1em] \oiint\limits_{S}\overrightarrow{B}\cdot\mathrm{d}\vec{s} = 0 & (4) \end{cases}

微分形式

{×E=Bt(1)D=ρ(2)×H=j0+Dt(3)B=0(4)\begin{cases} \nabla\times\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t} & (1) \\[1em] \nabla\cdot\overrightarrow{D} = \rho& (2) \\[0.25em] \nabla\times\overrightarrow{H} = \vec{j}_0 + \dfrac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}& (3)\\[1em] \nabla\cdot\overrightarrow{B} = 0 & (4)\end{cases}

在界面处,场不连续,因此需要补充界面关系:

{E1t=E2t(1)D1nD2n=σ0(2)H1tH2t=(i0×en)et(3)B1n=B2n(4)\begin{cases} E_{1t} = E_{2t} & (1') \\[1em] D_{1n} - D_{2n} = \sigma_0 & (2') \\[0.75em] H_{1t} - H_{2t} = \left(\vec{i}_0\times\vec{e}_n\right)\cdot\vec{e}_t& (3')\\[1em] B_{1n} = B_{2n} & (4')\end{cases}

以上 8 个方程便完备了

电磁波

考虑不带电荷且无传导电流的无限大均匀介质区域,即 ρ=0,j0=0\rho = 0, \vec{j}_0 = \mathbf{0}

根据 \nabla 乘积运算法则得到:

{2E=1u22Et22H=1u22Ht2\begin{cases} \nabla^{2}\overrightarrow{E} = \dfrac{1}{u^2}\dfrac{\partial^2\overrightarrow{E}}{\partial t^2} \\[1em] \nabla^{2}\overrightarrow{H} = \dfrac{1}{u^2}\dfrac{\partial^2\overrightarrow{H}}{\partial t^2} \end{cases}

其中,u=1μεu = \dfrac{1}{\sqrt{\mu\varepsilon}}

这是经典力学中的波动方程,其中 uu 为波速,预言了电磁波的存在

等式 1 证明

2E=(E)×(×E)=(1εD)×(×E)=(ρε)×(Bt)=t(×B)=μt(×H)=μt(j0+Dt)=με2Et2\begin{align*}\nabla^{2}\overrightarrow{E} &= \nabla\left(\nabla\cdot\overrightarrow{E}\right) - \nabla\times\left(\nabla\times\overrightarrow{E}\right) \\&= \nabla\left(\frac{1}{\varepsilon}\nabla\cdot\overrightarrow{D}\right) - \nabla\times\left(\nabla\times\overrightarrow{E}\right) \\&= \nabla\left(\frac{\rho}{\varepsilon}\right) - \nabla\times\left(-\frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\right) \\&= \frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times\overrightarrow{B}\right) \\[1em]&= \mu\frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times\overrightarrow{H}\right) \\&= \mu\frac{\partial}{\partial t}\left(\vec{j}_0 + \dfrac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\right) \\[1em]&= \mu\varepsilon\frac{\partial^2\overrightarrow{E}}{\partial t^2}\end{align*}

等式 2 证明

2H=(H)×(×H)=(1μB)×(×H)=×(j0+Dt)=t(×D)=εt(×E)=εt(Bt)=με2Ht2\begin{align*}\nabla^{2}\overrightarrow{H} &= \nabla\left(\nabla\cdot\overrightarrow{H}\right) - \nabla\times\left(\nabla\times\overrightarrow{H}\right) \\&= \nabla\left(\frac{1}{\mu}\nabla\cdot\overrightarrow{B}\right) - \nabla\times\left(\nabla\times\overrightarrow{H}\right) \\&= - \nabla\times\left(\vec{j}_0 + \dfrac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}\right) \\&= -\frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times\overrightarrow{D}\right) \\[1em]&= -\varepsilon\frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times\overrightarrow{E}\right) \\&= -\varepsilon\frac{\partial}{\partial t}\left(-\frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\right) \\[1em]&= \mu\varepsilon\frac{\partial^2\overrightarrow{H}}{\partial t^2}\end{align*}

最简单的解为平面简谐波解:

E(x,t)=E0cosω(txu)H(x,t)=H0cosω(txu)\begin{align*} \overrightarrow{E}(x, t) &= \overrightarrow{E}_0 \cos \omega\left(t - \frac{x}{u}\right)\\ \overrightarrow{H}(x, t) &= \overrightarrow{H}_0 \cos \omega\left(t - \frac{x}{u}\right) \end{align*}

其中 H0,E0\overrightarrow{H}_0, \overrightarrow{E}_0 分别代表电磁波在该点沿对应方向的振幅矢量

平面电磁波的性质

平面电磁波是横波,E,H,u\overrightarrow{E}, \overrightarrow{H}, \vec{u} 三者的方向满足右手定则

振幅大小满足:

μH=εE    EB=1με=u\sqrt{\mu}H = \sqrt{\varepsilon}E \implies \frac{E}{B} = \frac{1}{\sqrt{\mu\varepsilon}} = u

真空中,电磁波速度 1μ0ε0=c\dfrac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} = c,因此光是电磁波

因此,不同材料的折射率为:

n=cu=μrεrn = \frac{c}{u} = \sqrt{\mu_r\varepsilon_r}

电磁波的能量和动量

能量密度

对于一般的电磁波,其能量密度是电场和磁场的能量密度之和,即:

w=we+wm=12εE2+12μH2w = w_e + w_m = \frac{1}{2}\varepsilon E^2 + \frac{1}{2}\mu H^2

对于平面电磁波,代入振幅等式可知:

w=εE2=εEμεH=EHuw = \varepsilon E^2 = \varepsilon E\cdot\sqrt{\frac{\mu}{\varepsilon}}H = \frac{EH}{u}

能流密度

表示单位时间内通过垂直波传播方向的单位面积的能量,定义式为:

S=wu=EHuu=E×H\overrightarrow{S} = w\vec{u} = \frac{EH}{u}\vec{u} = \overrightarrow{E}\times\overrightarrow{H}

也被称为坡印廷矢量

动量密度

表示单位体积内的动量,定义式为:

g=mu=wc2u=1c2S\vec{g} = m\vec{u} = \frac{w}{c^2}\vec{u} = \frac{1}{c^2}\overrightarrow{S}


© 2024 本网站由 Ywang22 使用 Stellar主题 创建
总访问 次 | 本页访问
共发表 76 篇 Blog(s) · 总计 173.7k 字