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=S∬∂t∂D⋅ds
因此,位移电流密度为:
jd=∂t∂D=ε0∂t∂E+∂t∂P
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 的环路定理:
∮LH⋅dl=∑(I0+Id)=S∬(j0+∂t∂D)⋅ds
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:
- 静电场和感生电场叠加的安培环路定理:
∮LE⋅dl=−S∬∂t∂B⋅ds
- D 的高斯定理
S∬D⋅ds=V∭ρdV
- 全电流定律:
∮LH⋅dl=S∬(j0+∂t∂D)⋅ds
- 磁通连续定律:
S∬B⋅ds=0
- 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
- 洛伦兹力(用于预测粒子运动)
F=qE+qv×B
积分形式
⎩⎨⎧∮LE⋅dl=−S∬∂t∂B⋅dsS∬D⋅ds=V∭ρdV∮LH⋅dl=S∬(j0+∂t∂D)⋅dsS∬B⋅ds=0(1)(2)(3)(4)
微分形式
⎩⎨⎧∇×E=−∂t∂B∇⋅D=ρ∇×H=j0+∂t∂D∇⋅B=0(1)(2)(3)(4)
在界面处,场不连续,因此需要补充界面关系:
⎩⎨⎧E1t=E2tD1n−D2n=σ0H1t−H2t=(i0×en)⋅etB1n=B2n(1′)(2′)(3′)(4′)
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
根据 ∇ 乘积运算法则得到:
⎩⎨⎧∇2E=u21∂t2∂2E∇2H=u21∂t2∂2H
其中,u=με1
这是经典力学中的波动方程,其中 u 为波速,预言了电磁波的存在
等式 1 证明
∇2E=∇(∇⋅E)−∇×(∇×E)=∇(ε1∇⋅D)−∇×(∇×E)=∇(ερ)−∇×(−∂t∂B)=∂t∂(∇×B)=μ∂t∂(∇×H)=μ∂t∂(j0+∂t∂D)=με∂t2∂2E
等式 2 证明
∇2H=∇(∇⋅H)−∇×(∇×H)=∇(μ1∇⋅B)−∇×(∇×H)=−∇×(j0+∂t∂D)=−∂t∂(∇×D)=−ε∂t∂(∇×E)=−ε∂t∂(−∂t∂B)=με∂t2∂2H
最简单的解为平面简谐波解:
E(x,t)H(x,t)=E0cosω(t−ux)=H0cosω(t−ux)
其中 H0,E0 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 三者的方向满足右手定则
振幅大小满足:
μH=εE⟹BE=με1=u
真空中,电磁波速度 μ0ε01=c,因此光是电磁波
因此,不同材料的折射率为:
n=uc=μrεr
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=21εE2+21μH2
对于平面电磁波,代入振幅等式可知:
w=εE2=εE⋅εμH=uEH
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=uEHu=E×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=c2wu=c21S