Chapter16 电磁场与电磁波

Chapter16 电磁场与电磁波

常识补充

球冠表面积公式

球冠表面积公式 - 搜狗百科

S=2πRh=2πR(Rx)S = 2\pi R h = 2 \pi R (R-x)

矢量三重积公式

a×(b×c)=(ac)b(ab)c\vec{a} \times (\vec{b} \times \vec{c}) = (\vec{a} \cdot \vec{c}) \vec{b} - (\vec{a} \cdot \vec{b}) \vec{c}

16.1 麦克斯韦电磁理论

位移电流假设

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  1. 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+S2DdS=S2DdS=ΦDq = \oiint_{S_1 + S_2} \vec{D} \cdot d \vec{S} = \iint_{S_2} \vec{D} \cdot d \vec{S} = \Phi_D

    可以发现闭合面内电荷量 = 通过 S2S_2 面的电通量

  2. 分析通过 S1S_1 面的传导电流

Ic=dqdt=S2DtdS=dΦDdtI_c = \dfrac{dq}{dt} = \iint_{S_2} \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d \vec{S} = \frac{d \Phi_D}{dt}

故有结论:通过 S1S_1 面的传导电流 == 通过 S2S_2 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=SDtdS=dΦDdtjd=DtI_d = \iint_S \dfrac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d\vec{S} = \frac{d \Phi_D}{dt} \quad \vec{j_d} = \dfrac{\partial \vec{D}}{\partial t}

显然,位移电流和位移电流密度有关系:

Id=dΦdt=SjddSI_d = \dfrac{d \Phi}{dt} = \iint_{S} \vec{j_d} \cdot d\vec{S}

全电流连续性原理

若电路中同时存在传导电流IcI_c和位移电流IdI_d,传导电流和位移电流之和称为全电流

Is=Ic+IdI_s = I_c + I_d

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\oiint_{S}(\vec{j_c}+\vec{j_d})\cdot d\vec{S} = 0 \quad \nabla \cdot (\vec{j_c} + \vec{j_d}) = 0

全电流的安培定理

lHdl=Ic+Id=S(jc+Dt)dS\oint_{l} \vec{H} \cdot d\vec{l} = I_c + I_d = \iint_{S} (\vec{j_c} + \dfrac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{S}

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+Dt\nabla \times \vec{H} = \vec{j_c} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}

16.2 电磁波

麦克斯韦方程组

{lHdl=S(jc+Dt)dSEdl=SBtdSSBdS=0SDdS=q\begin{cases} \oint_{l} \vec{H} \cdot d\vec{l} = \iint_{S} (\vec{j_c} + \dfrac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{S} \\ \oint \vec{E} \cdot d\vec{l} = - \iint_{S} \dfrac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d\vec{S} \\ \oiint_{S} \vec{B} \cdot d \vec{S} = 0 \\ \oiint_{S} \vec{D} \cdot d \vec{S} = q \end{cases}

对各向同性介质,各量间的关系为

D=ϵEB=μHj=γE\vec{D} = \epsilon \vec{E} \quad \vec{B} = \mu \vec{H} \quad \vec{j} = \gamma \vec{E}

微分形式:

  1. 高斯定理(电场)

    D=ρ\nabla \cdot \vec{D} = \rho

  2. 高斯定理(磁场)

    B=0\nabla \cdot \vec{B} = 0

  3. 法拉第电磁感应定律

    ×E=Bt\nabla \times \vec{E} = - \frac{\partial \vec{B}}{\partial t}

  4. 安培环路定律(全电流定律)

    ×H=jc+Dt\nabla \times \vec{H} = \vec{j_c} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}

电磁波波动方程

推导过程

×H=Dt×(×H)=(×D)t=ϵ0(×E)t=ϵ02Bt2=ϵ0μ02Ht2\begin{aligned} \nabla \times \vec{H} &= \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \\ \nabla \times ( \nabla \times \vec{H}) &= \frac{\partial (\nabla \times \vec{D})}{\partial t} \\ &= \epsilon_0 \frac{\partial (\nabla \times \vec{E})}{\partial t} \\ &= -\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2} \\ &= -\epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial^2 \vec{H}}{\partial t^2} \end{aligned}

又由于

×(×H)=(H)()H=2H\nabla \times ( \nabla \times \vec{H}) = \nabla(\nabla \cdot \vec{H}) - (\nabla \cdot \nabla ) \vec{H} = -\nabla^2 \vec{H}

故可以得到

2H=μϵ2Ht2\nabla^2 \vec{H} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 \vec{H}}{\partial t^2}

类似地,对于电场强度也可以推导出

2E=μϵ2Et2\nabla^2 \vec{E} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2}

结论

从Maxwell方程组可以得到以下波动方程

2E=μϵ2Et22H=μϵ2Ht2\nabla^2 \vec{E} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2} \quad \nabla^2 \vec{H} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 \vec{H}}{\partial t^2}

由此可以得出电磁波的波动性

2Eyx2=μϵ2Eyt22Hzx2=μϵ2Hzt2\dfrac{\partial^2 E_y}{\partial x^2} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 E_y}{\partial t^2} \quad \dfrac{\partial^2 H_z}{\partial x^2} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 H_z}{\partial t^2}

与标准波动方程比较

uttu2uxx=0u_{tt} - u^2 u_{xx} = 0

可得波速

u=1μϵu = \dfrac{1}{\sqrt{\mu \epsilon}}

真空中

u=1μ0ϵ0u = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}

介质中

u=1μϵ=cμrϵr=cnn=μrϵru = \frac{1}{\sqrt{\mu \epsilon}} = \frac{c}{\sqrt{\mu_r \epsilon_r}} = \frac{c}{n} \quad n = \sqrt{\mu_r \epsilon_r}

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

2Eyx2=μϵ2Eyt22Hzx2=μϵ2Hzt2\dfrac{\partial^2 E_y}{\partial x^2} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 E_y}{\partial t^2} \quad \dfrac{\partial^2 H_z}{\partial x^2} = \mu \epsilon \dfrac{\partial^2 H_z}{\partial t^2}

  • 矢量 EE 应与传播方向垂直,设 EE 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 HH 应与传播方向垂直,与 EE 方向垂直
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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(txc)\vec{E} = \vec{E}_0 \cos \omega \left( t - \frac{x}{c} \right)

复表示:

E=Re[E0ej(ωtkr)]\vec{E} = \text{Re} \left[ \vec{E}_0 e^{j\left( \omega t - \vec{k} \cdot \vec{r} \right)} \right]

  • 方向k\vec{k} 的方向表征电磁波的传播方向。

导数性质:

  • ej(ωtkr)=jkej(ωtkr)\nabla e^{j(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})} = -j\vec{k} e^{j(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})}
  • tej(ωtkr)=jωej(ωtkr)\frac{\partial}{\partial t} e^{j(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})} = j\omega e^{j(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})}

由麦克斯韦方程组可得:

2E=μϵ2Et2\nabla^2 \vec{E} = \mu \epsilon \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2}

推导出:

k2=ω2μϵk=ωu\vec{k}^2 = \omega^2 \mu \epsilon \quad \Rightarrow \quad k = \frac{\omega}{u}

其中:

  • u=1μϵu = \frac{1}{\sqrt{\mu \epsilon}} 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\vec{E} 与传播方向 k\vec{k} 垂直:

D=0kE=0\nabla \cdot \vec{D} = 0 \quad \Rightarrow \quad \vec{k} \cdot \vec{E} = 0


磁场与电磁波方向关系

磁场的复表示为:

H=Re[H0ej(ωtkr)]\vec{H} = \text{Re} \left[ \vec{H}_0 e^{j(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})} \right]

在各向同性介质中,磁场 H\vec{H} 的方向与传播方向 k\vec{k} 垂直,与电场 E\vec{E} 也垂直。

电场与磁场的关系

由麦克斯韦方程:

×E=Bt\nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}

可得:

k×E=ωμH\vec{k} \times \vec{E} = \omega \mu \vec{H}

进一步推导:

E×(k×E)=ωμE×H\vec{E} \times (\vec{k} \times \vec{E}) = \omega \mu \vec{E} \times \vec{H}

化简为:

E×H=1ωμkE2\vec{E} \times \vec{H} = \frac{1}{\omega \mu} \vec{k} E^2

说明:

  • 在各向同性介质中,E×H\vec{E} \times \vec{H} 的方向与传播方向 k\vec{k} 一致。

平面电磁波沿 xx 正方向传播时

假设电场方向为 yy 方向,则磁场方向为 zz 方向:

k×E=ωμH\vec{k} \times \vec{E} = \omega \mu \vec{H}

则:

E=E0cosω(txc)H=H0cosω(txc)E = E_0 \cos \omega \left( t - \frac{x}{c} \right) \quad H = H_0 \cos \omega \left( t - \frac{x}{c} \right)

其中:

  • k=ωck = \frac{\omega}{c}
  • c=1μ0ϵ0c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}

磁场振幅:

H0=E0μ0c=ϵ0μ0E0H_0 = \frac{E_0}{\mu_0 c} = \sqrt{\frac{\epsilon_0}{\mu_0}} E_0

沿 xx 轴负方向传播时:

E=E0cosω(t+xc)H=H0cosω(t+xc)E = E_0 \cos \omega \left( t + \frac{x}{c} \right) \quad H = -H_0 \cos \omega \left( t + \frac{x}{c} \right)

沿x轴正向传播的电磁波

Ey=E0cosω(txu)Hz=H0cosω(txu)E_y = E_0 cos \omega(t-\dfrac{x}{u}) \\ H_z = H_0 cos \omega(t - \dfrac{x}{u})

沿x轴负向传播的电磁波

Ey=E0cosω(t+xu)Hz=H0cosω(t+xu)E_y = E_0 cos \omega(t+\dfrac{x}{u}) \\ H_z = -H_0 cos \omega(t+\dfrac{x}{u})

电场强度和磁场强度的关系

H0=E0μu=ϵμE0    Hz=Eyμu=ϵμEyH_0 = \dfrac{E_0}{\mu u} = \sqrt{\dfrac{\epsilon}{\mu}}E_0 \implies H_z = \dfrac{E_y}{\mu u}= \sqrt{\dfrac{\epsilon}{\mu}}E_y

反正结论就是

H=ϵμEϵE=μHH = \sqrt{\dfrac{\epsilon}{\mu}}E \quad \sqrt{\epsilon} E = \sqrt{\mu}H

总结

可以总结出如下结论:

  1. 电磁波是横波,E\vec{E}H\vec{H}分别在相互垂直的平面内振动,并与u\vec{u}构成右手螺旋系。

  2. 电磁波存在偏振性

  3. E\vec{E}H\vec{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。

  4. E\vec{E}H\vec{H}在数值上成比例

    ϵE=μH\sqrt{\epsilon} E = \sqrt{\mu}H

  5. 电磁波在媒质中传播的速度u=1μϵu = \dfrac{1}{\sqrt{\mu \epsilon}}

    • 电磁波在真空中的传播速度u=1μ0ϵ0u = \dfrac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}即为光速

电磁波的能量

坡印廷矢量

S=E×H\vec{S} = \vec{E} \times \vec{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 ww,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=ϵE22wm=μH22w=we+wm=12(ϵE2+μH2)w_e = \dfrac{\epsilon E^2}{2} \quad w_m = \dfrac{\mu H^2}{2} \\ w = w_e + w_m = \dfrac{1}{2}(\epsilon E^2+\mu H^2)

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=u2(ϵE2+μH2)ϵE=μHu=1ϵμ    S=12ϵμ(2ϵEμH)=EHS = wu = \dfrac{u}{2}(\epsilon E^2+\mu H^2) \\ \sqrt{\epsilon} E = \sqrt{\mu}H \quad u = \frac{1}{\sqrt{\epsilon \mu}} \\ \implies S = \frac{1}{2 \sqrt{\epsilon \mu}} (2\sqrt{\epsilon} E \sqrt{\mu} H) = EH

结论:

S=EHS = 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=EHS = EH

又由于辐射能的传播方向S\vec{S}E\vec{E}的方向及H\vec{H}的方向三者相互垂直,符合右手螺旋定则

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故能流密度的矢量表示如下,即为坡印廷矢量

S=E×H\vec{S} = \vec{E} \times \vec{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=ϵμE2=12ϵμE02=12E0H0=ϵ0cE022\begin{aligned} I &= \overline{S} = \sqrt{\frac{\epsilon}{\mu}} \overline{E^2} \\ &= \dfrac{1}{2} \sqrt{\dfrac{\epsilon}{\mu}}E_0^2 = \dfrac{1}{2}E_0 H_0 = \dfrac{\epsilon_0 c E_0^2}{2} \end{aligned}

电磁波的功率

由坡印廷矢量求功率

P=ASdAP = \iint_{A} \vec{S} d\vec{A}

电磁波平均功率:通过横截面积A

P=ASdA\overline{P} = \iint_{A} \vec{\overline{S}} d\vec{A}

电磁波平均功率:通过闭合曲面A

P=ASdA\overline{P} = \oiint_{A} \vec{\overline{S}} d\vec{A}

电磁波的质量与动量

由质能关系,可得电磁场的质量密度(ww表示电磁波能量密度,cc代表光速)

m=wc2m = \dfrac{w}{c^2}

电磁场的动量密度

p=Ec=wcp = \frac{E}{c} = \frac{w}{c}

电磁波的辐射压强

dFdS=dPdSdt=pdSdldSdt=pc=w\dfrac{dF}{dS} = \frac{dP}{dS dt} = \dfrac{pdSdl}{dSdt} = pc = w

  • 平均压强

    FΔS=w=Sc\overline{\frac{F}{\Delta S}} = \overline{w} = \frac{\overline{S}}{c}

16.3 电磁波的产生

估计不考

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