电磁场的能量和动量
目录
1 电磁场的能量和能流密度 2
2 电磁场对物质的作用力 2
3 平面电磁波 3
4 理想磁流体平衡 4
1
1 电磁场的能量和能流密度
电磁场对物质做功的功率密度
f · v = (𝜌E + 𝜌v × B) · v = 𝜌v · E = J · E =
(
× H
𝜕D
𝜕𝑡
)
· E
那么
f · v = −∇ · (E × H) H ·
𝜕B
𝜕𝑡
E ·
𝜕D
𝜕𝑡
−∇ · S
𝜕𝑤
𝜕𝑡
𝑉
f · vd𝑉 =
𝑆
S · dσ
d
d𝑡
𝑉
𝑤d𝑉
能流密度变化率
𝜕𝑤
𝜕𝑡
= H ·
𝜕B
𝜕𝑡
+ E ·
𝜕D
𝜕𝑡
能流密度
S = E × H
利用本构方程
𝜕𝜔
𝜕𝑡
= H ·
𝜕B
𝜕𝑡
+ E ·
𝜕D
𝜕𝑡
=
(
𝜕B
𝜕𝜇
0
M
)
·
𝜕B
𝜕𝑡
+ E ·
𝜕
𝜕𝑡
(𝜖
0
E + P )
=
𝜕
𝜕𝑡
(
𝜖
0
𝐸
2
2
+
𝐵
2
2𝜇
0
)
+ M · ( × E) + E ·
𝜕P
𝜕𝑡
=
𝜕
𝜕𝑡
(
𝜖
0
𝐸
2
2
+
𝐵
2
2𝜇
0
)
+ · (M × H) + E · ( × M ) + E ·
𝜕P
𝜕𝑡
=
𝜕
𝜕𝑡
(
𝜖
0
𝐸
2
2
+
𝐵
2
2𝜇
0
)
+ · (E × M ) + E · J
M
+ E · J
P
E·(J
F
+J
M
+J
P
) = −∇·[E×(H +M )]
𝜕
𝜕𝑡
(
𝜖
0
𝐸
2
2
+
𝐵
2
2𝜇
0
)
=
1
𝜇
0
·(E×B)
𝜕
𝜕𝑡
(
𝜖
0
𝐸
2
2
+
𝐵
2
2𝜇
0
)
−∇·S
𝜕𝑤
𝜕𝑡
E · J
f
是场对自由粒子做功, 转化为动能, 不可逆; E · J
M
+ E · J
P
是场对介质做功, 转化为磁化能量
和极化能量, 是可逆的
2 电磁场对物质的作用力
电磁场对物质 (包含介质) 的作用力密度
f = 𝜌E + J × B
= 𝜖
0
( · E)E +
(
1
𝜇
0
× B 𝜖
0
𝜕E
𝜕𝑡
)
× B
= (𝜖
0
· E)E +
1
𝜇
0
( × B) × B 𝜖
0
𝜕
𝜕𝑡
(E × B) + 𝜖
0
E ×
𝜕B
𝜕𝑡
= 𝜖
0
( · E)E +
1
𝜇
0
( · B)B +
1
𝜇
0
( × B) × B 𝜖
0
( × E) × E 𝜖
0
𝜕
𝜕𝑡
(E × B)
利用
1
2
(B · B) = ( × B) × B (B · ∇)B
· (BB) = ( · B)B + (B · )B
· (BB)
1
2
𝐵
2
= ( · B)B + ( × B) × B
因而
f = · (𝜖
0
EE)
(
𝜖
0
𝐸
2
2
)
+ · (
BB
𝜇
0
)
(
𝐵
2
2𝜇
0
)
𝜖
0
𝜕
𝜕𝑡
(E × B)
= ·
[
𝜖
0
EE +
BB
𝜇
0
1
2
(
𝜖
0
𝐸
2
+
𝐵
2
𝜇
0
)
𝐼
]
𝜖
0
𝜕
𝜕𝑡
(E × B)
= −∇·
𝑇
𝜕g
𝜕𝑡
定义动量密度和动量流密度张量
g 𝜖
0
E × B,
𝑇
[
𝜖
0
EE +
BB
𝜇
0
+
1
2
(
𝜖
0
𝐸
2
+
𝐵
2
𝜇
0
)]
𝐼
因而得到了一个类似于动量守恒的方程
𝑉
f 𝑑𝑉 =
𝑆
𝑑σ·
𝑇
d
d𝑡
𝑉
g𝑑𝑉
𝑇
·σ 为单位时间内通过 σ 的电磁场动量
动量密度与能流密度的关系
g = 𝜖
0
𝜇
0
S =
S
𝑐
2
3 平面电磁波
定态平面电磁波 E, B, k 有关系
𝑐B =
ˆ
k × E
得到动量密度
g =
𝜖
0
𝑐
𝐸
2
ˆ
k =
𝑤
𝑐
ˆ
k
此处的 𝑤 是能量密度, 在真空中有
𝑤 = 𝜖
0
𝐸
2
=
𝐵
2
𝜇
0
动量流密度张量
𝑇
=
[
𝜖
0
EE +
BB
𝜇
0
+
1
2
(
𝜖
0
𝐸
2
+
𝐵
2
𝜇
0
)
𝐼
]
=
[
𝜖
0
𝐸
2
ˆ
E
ˆ
E +
𝐵
2
𝜇
0
ˆ
B
ˆ
B
]
+
1
2
(
𝜖
0
𝐸
2
+
𝐵
2
𝜇
0
)
(
ˆ
E
ˆ
E +
ˆ
B
ˆ
B +
ˆ
k
ˆ
k)
此处用到了
𝐼
=
ˆ
E
ˆ
E +
ˆ
B
ˆ
B +
ˆ
k
ˆ
k
这是因为
ˆ
E,
ˆ
B,
ˆ
k 相互正交
将用能量密度 𝑤 写为
𝑇
= 𝑤(
ˆ
E
ˆ
E +
ˆ
B
ˆ
B) + 𝑤(
ˆ
E
ˆ
E +
ˆ
B
ˆ
B +
ˆ
k
ˆ
k) = 𝑤
ˆ
k
ˆ
k = 𝑐g
ˆ
k
4 理想磁流体平衡
磁流体运动方程
𝜌
𝑛
du
d𝑡
= −∇𝑝 + J × B
力平衡时
−∇
𝑝
+
J
×
B
=
0
−∇
𝑝
+ ·
(
1
𝜇
0
BB
𝐵
2
2𝜇
0
𝐼
)
=
0
−∇
(
𝑝 +
𝐵
2
2𝜇
0
)
+
1
𝜇
0
(B · )B = 0
直柱磁场磁流体平衡
(
𝑝 +
𝐵
2
2𝜇
0
)
= 0
𝑝 +
(
𝐵
2
2𝜇
0
)
𝑖𝑛
=
(
𝐵
2
2𝜇
0
)
𝑜𝑢𝑡