
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
即
∭
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; 而 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)