| 最近在《打 电 动》,写个专栏权当笔记记录一下。以下主要参考自格里菲斯。 能量守恒:坡印廷定理假设区域 中有电荷分布 ,则单位体积上受到的电磁力为:
电磁场做功为:
注意到 ,故 中第二项(也就是洛伦兹力项)不做功。所以全区域 上电磁力总功率为:
利用麦克斯韦方程组,把 用场量表示:
利用矢量微分法则: 以及麦克斯韦方程组 进一步化简:
上式中, 为坡印廷矢量,是电磁场单位时间内通过单位表面积向外部传递的能量。上式即为坡印廷定理。 上面定理等号左边为电磁场做功,它实际转化为了区域中粒子的机械能或其他形式能。右边第一项曲面积分即为此区域向外传递的能量,第二项即为区域中场能的变化。 若记区域中机械能的能量密度为 ,同时记 为电磁场的能量密度,那么上式也可以写成微分形式:
以上是针对真空中的电磁场的讨论(或者说,我们不区分电荷/电流到底是自由电荷/电流还是束缚电荷/电流)。在介质中,我们更关心构建系统中自由电荷所需要的能量。这时需要把以上讨论中的电荷分布 与电流分布 改为自由电荷分布 与自由电流分布 ,推导中用到的麦克斯韦方程组改为介质中的。
可见,此时电磁场能量密度的时间变化率为 (这里没有利用本构关系,请与线性介质下的公式相区分!)。坡印廷矢量变为 (同样地,这里也不需要知道本构关系)。 动量守恒现在考虑电磁场中粒子的动量。单位体积单位时间内粒子动量的变化即为单位体积上的电磁力 。故对全空间:
利用麦克斯韦方程组,全部换成用场量表示:
最后一步用到了分部积分,把对电场的时间偏导转成了对磁场的。利用麦克斯韦方程组进一步化简:
在右式上再加一个恒为0的项 ,不会影响结果。利用矢量微分规则,继续化简:
我们定义麦克斯韦应力张量 : ,其中 是Kronecker 符号。它的物理意义就是电磁场作用在单位表面积上的应力(压力/剪切应力)。然后就可以注 意 到
(如果想要验证上式,只需把 算符视为一个普通的向量,验证左右两边的各分量对应相等即可。) 这样,将动量式化简为
这个式子结构上和坡印廷定理非常相似。等号左边是区域中粒子所受电磁力合力,也是(机械)动量变化率。等号右边第二项表示的是电磁场本身动量 的时间变化率,第一项表示的是穿过区域边界流入的动量。 若记区域中机械动量密度为 ,电磁场动量密度为 ,那么上式也可以写成微分形式:
这样,可以看出, 表示动量流密度, 表示单位时间内通过 方向的单位面元沿 方向的动量。这是 的另一个物理含义。 以上是对真空中的电磁场的讨论。对于介质中的情况则非常复杂。事实上,除了在线性介质中,我们很难明确区分动量的来源从而给出场的动量的明确定义。在一般情况下,出于对这一问题的不同认识,可以得到不同形式的动量密度与麦克斯韦应力张量。因此,我就简单地类比之前的,用自由电荷分布 与自由电流分布 来代替 和 ,得到动量密度的一种形式:
我就暂时把最后一个式子的第一项写成张量的散度的形式了,只是定性地认为这一项表示了区域表面的动量流。而第二项则给出了介质中电磁场动量密度的闵可夫斯基形式:
角动量守恒由上面的推导知道,真空中电磁场的动量密度为 。那么立刻可以知道真空中角动量密度为 。 可见,只要 ,静场也会有动量和角动量。考虑经典的动量或角动量守恒时,必须要将电磁场的那一部分也包含在内,才能得到正确的结果。例如Feynman盘佯谬,在计算了电磁场的角动量以后仍然是守恒的。 |
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