Chapter16 电磁场与电磁波
常识补充
球冠表面积公式
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S=2πRh=2πR(R−x)
矢量三重积公式
a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c
16.1 麦克斯韦电磁理论
位移电流假设
-
分析通过通过闭合曲面的电位移矢量通量和和曲面内电荷的关系
q=∬S1+S2D⋅dS=∬S2D⋅dS=ΦD
可以发现闭合面内电荷量 = 通过 S2 面的电通量
-
分析通过 S1 面的传导电流
Ic=dtdq=∬S2∂t∂D⋅dS=dtdΦD
故有结论:通过 S1 面的传导电流 = 通过 S2 面的电通量的变化率
故可以如下定义位移电流和位移电流密度
Id=∬S∂t∂D⋅dS=dtdΦDjd=∂t∂D
显然,位移电流和位移电流密度有关系:
Id=dtdΦ=∬Sjd⋅dS
全电流连续性原理
若电路中同时存在传导电流Ic和位移电流Id,传导电流和位移电流之和称为全电流
Is=Ic+Id
对于任何电路(闭合回路),全电流是处处连续的
∬S(jc+jd)⋅dS=0∇⋅(jc+jd)=0
全电流的安培定理
∮lH⋅dl=Ic+Id=∬S(jc+∂t∂D)⋅dS
由此可见,变化的电场会产生磁场
以上式子的微分形式
∇×H=jc+∂t∂D
16.2 电磁波
麦克斯韦方程组
⎩⎨⎧∮lH⋅dl=∬S(jc+∂t∂D)⋅dS∮E⋅dl=−∬S∂t∂B⋅dS∬SB⋅dS=0∬SD⋅dS=q
对各向同性介质,各量间的关系为
D=ϵEB=μHj=γE
微分形式:
-
高斯定理(电场):
∇⋅D=ρ
-
高斯定理(磁场):
∇⋅B=0
-
法拉第电磁感应定律:
∇×E=−∂t∂B
-
安培环路定律(全电流定律):
∇×H=jc+∂t∂D
电磁波波动方程
推导过程
∇×H∇×(∇×H)=∂t∂D=∂t∂(∇×D)=ϵ0∂t∂(∇×E)=−ϵ0∂t2∂2B=−ϵ0μ0∂t2∂2H
又由于
∇×(∇×H)=∇(∇⋅H)−(∇⋅∇)H=−∇2H
故可以得到
∇2H=μϵ∂t2∂2H
类似地,对于电场强度也可以推导出
∇2E=μϵ∂t2∂2E
结论
从Maxwell方程组可以得到以下波动方程
∇2E=μϵ∂t2∂2E∇2H=μϵ∂t2∂2H
由此可以得出电磁波的波动性
∂x2∂2Ey=μϵ∂t2∂2Ey∂x2∂2Hz=μϵ∂t2∂2Hz
与标准波动方程比较
utt−u2uxx=0
可得波速
u=μϵ1
真空中
u=μ0ϵ01
介质中
u=μϵ1=μrϵrc=ncn=μrϵr
平面简谐电磁波的特性
简化到一维平面情况,就可以得到类似一维波动方程的形式
∂x2∂2Ey=μϵ∂t2∂2Ey∂x2∂2Hz=μϵ∂t2∂2Hz
- 矢量 E 应与传播方向垂直,设 E 的方向为y方向
- 把旋度的式子展开进行分析,就可以得到矢量 H 应与传播方向垂直,与 E 方向垂直
相关推导过程
电场的表达式的复数表示
平面电磁波的电场表示为:
E=E0cosω(t−cx)
复表示:
E=Re[E0ej(ωt−k⋅r)]
- 方向:k 的方向表征电磁波的传播方向。
导数性质:
- ∇ej(ωt−k⋅r)=−jkej(ωt−k⋅r)
- ∂t∂ej(ωt−k⋅r)=jωej(ωt−k⋅r)
由麦克斯韦方程组可得:
∇2E=μϵ∂t2∂2E
推导出:
k2=ω2μϵ⇒k=uω
其中:
- u=μϵ1 表示波在介质中的传播速度。
电场方向与传播方向
在各向同性介质中,电磁波的电场 E 与传播方向 k 垂直:
∇⋅D=0⇒k⋅E=0
磁场与电磁波方向关系
磁场的复表示为:
H=Re[H0ej(ωt−k⋅r)]
在各向同性介质中,磁场 H 的方向与传播方向 k 垂直,与电场 E 也垂直。
电场与磁场的关系
由麦克斯韦方程:
∇×E=−∂t∂B
可得:
k×E=ωμH
进一步推导:
E×(k×E)=ωμE×H
化简为:
E×H=ωμ1kE2
说明:
- 在各向同性介质中,E×H 的方向与传播方向 k 一致。
平面电磁波沿 x 正方向传播时
假设电场方向为 y 方向,则磁场方向为 z 方向:
k×E=ωμH
则:
E=E0cosω(t−cx)H=H0cosω(t−cx)
其中:
- k=cω
- c=μ0ϵ01
磁场振幅:
H0=μ0cE0=μ0ϵ0E0
沿 x 轴负方向传播时:
E=E0cosω(t+cx)H=−H0cosω(t+cx)
沿x轴正向传播的电磁波
Ey=E0cosω(t−ux)Hz=H0cosω(t−ux)
沿x轴负向传播的电磁波
Ey=E0cosω(t+ux)Hz=−H0cosω(t+ux)
电场强度和磁场强度的关系
H0=μuE0=μϵE0⟹Hz=μuEy=μϵEy
反正结论就是
H=μϵEϵE=μH
总结
可以总结出如下结论:
-
电磁波是横波,E与H分别在相互垂直的平面内振动,并与u构成右手螺旋系。
-
电磁波存在偏振性
-
E与H同相位:电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化,在任意给定的位置,两者的相位相同。
-
E与H在数值上成比例
ϵE=μH
-
电磁波在媒质中传播的速度u=μϵ1
- 电磁波在真空中的传播速度u=μ0ϵ01即为光速
电磁波的能量
坡印廷矢量
S=E×H
坡印廷矢量描述了对任意一个闭合曲面而言,流出去的能量
电磁波能量密度
即单位体积的电磁能量 w,综合前面所学的知识,可以知道电场能量和磁场能量的密度,从而得到总的电磁能量密度
we=2ϵE2wm=2μH2w=we+wm=21(ϵE2+μH2)
电磁波能流密度
单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能,称为能流密度
S=wu=2u(ϵE2+μH2)ϵE=μHu=ϵμ1⟹S=2ϵμ1(2ϵEμH)=EH
结论:
S=EH
电磁波能流密度与坡印廷矢量
由上面能流密度的推导,可得数值上
S=EH
又由于辐射能的传播方向S、E的方向及H的方向三者相互垂直,符合右手螺旋定则
故能流密度的矢量表示如下,即为坡印廷矢量
S=E×H
电磁波的强度(平均能流密度)
电磁波强度即为平均能流密度
I=S=μϵE2=21μϵE02=21E0H0=2ϵ0cE02
电磁波的功率
由坡印廷矢量求功率
P=∬ASdA
电磁波平均功率:通过横截面积A
P=∬ASdA
电磁波平均功率:通过闭合曲面A
P=∬ASdA
电磁波的质量与动量
由质能关系,可得电磁场的质量密度(w表示电磁波能量密度,c代表光速)
m=c2w
电磁场的动量密度
p=cE=cw
电磁波的辐射压强
dSdF=dSdtdP=dSdtpdSdl=pc=w
16.3 电磁波的产生
估计不考