Плоские электромагнитные волны и их свойства
Глава 7. Электромагнитное поле
Уравнения Максвелла
В 1865 году Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрическом и магнитном полях, обобщил законы, установленные экспериментальным путем, и разработал законченную теорию единого электромагнитного поля, создаваемого произвольной системой зарядов и токов.
Теория Максвелла представляет собой феноменологическую теорию электромагнитного поля. Это означает, что внутренний механизм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление электрических и магнитных полей, в теории не рассматривается.
Теория Максвелла является макроскопической теорией электромагнитного поля, создаваемого макроскопическими зарядами и токами.
Электромагнитное поле – совокупность двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного.
Электромагнитное поле описывают следующими векторами:
(напряжённость электрического поля);
(электрическая индукция (электрическое смещение));
(магнитная индукция);
(напряжённость магнитного поля).
Уравнения Максвелла содержат 4 уравнения в интегральной форме, 4 уравнения в дифференциальной форме и 3 уравнения связи (материальные уравнения).
Уравнения Максвелла нельзя строго вывести или доказать, поэтому они являются обобщениями уже известных законов.
Запишем уравнения Максвелла в интегральной форме.
Первое уравнение .
Первое уравнение Максвелла является обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея для .
|
|
Как было показано в 6.2,
.
Магнитный поток .
Считая поверхность интегрирования - неподвижной и, учтя, что , получим
.
Тогда первое уравнение Максвелла можно записать в виде
, (7.1)
где любой замкнутый контур, мысленно выбранный в переменном магнитном поле; поверхность, ограниченная контуром ; переменное во времени магнитное поле.
Из уравнения (7.1) можно сделать вывод: изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Второе уравнение:
Второе уравнение является обобщением закона полного тока.
Максвелл предположил, что переменное электрическое поле, также как электрический ток, является источником магнитного поля. Он ввел новое понятие ток смещения, следующим образом:
По теореме Гаусса для вектора
,
где сторонние заряды.
Продифференцируем это выражение по времени
.
С учетом, что , и считая поверхность интегрирования неподвижной
.
Правая часть этого уравнения имеет размерность силы тока, тогда и левая часть должна ее иметь.
Используя формулу , Максвелл предположил, что имеет размерность плотности тока. Поэтому он предложил назвать плотностью тока смещения:
|
|
.
Тогда .
Введя представление о токе смещения, Максвелл поменял имеющиеся на тот момент представления о цепях переменного тока. Цепи постоянного тока должны быть замкнутыми, но для цепей переменного тока это условие считалось необязательным. Предполагалось, что при зарядке и разрядке конденсатора электрический ток проходит по проводнику, соединяющему обкладки конденсатора, и не проходит через диэлектрик, находящийся между обкладками, т.е. цепь не замкнута. Максвелл же доказал, что ток смещения как раз и проходит через диэлектрик, обеспечивая замкнутость таких цепей. Таким образом, линии переменного тока всюду замкнуты, также, как и линии постоянного тока.
В общем случае ток проводимости и ток смещения не разделены в пространстве. Все типы токов существуют в одном и том же объеме и тогда можно говорить о полном токе, равном сумме тока проводимости и тока смещения.
.
где – плотность тока проводимости; сила тока проводимости.
Обобщив для и, используя теорему о циркуляции Максвелл получил второе уравнение:
. (7.2)
Из уравнения (7.2) можно сделать вывод: ток проводимости и, изменяющееся во времени электрическое поле, порождают магнитное поле.
|
|
Третье уравнение.
Третье уравнение Максвелла обобщает теорему Гаусса для поля вектора
. (7.3)
Из (7.3) можно сделать вывод: источником вектора электрического смещения являются сторонние заряды.
Четвёртое уравнение.
Четвертое уравнение обобщает теорему Гаусса для поля вектора магнитной индукции :
(7.4)
Из (7.4) можно сделать вывод: в природе отсутствуют однополюсные магнитные заряды (монополи).
Используя теоремы Стокса и Остроградского-Гаусса, из уравнений Максвелла в интегральной форме можно перейти к уравнениям Максвелла в дифференциальной форме, которые более удобны для описания электромагнитного поля:
(1)
(2) (7.5)
(3)
|
|
(4)
Систему уравнений Максвелла необходимо дополнить материальными уравнениями, характеризующими электрические и магнитные свойства среды.
Для изотропных сред, не содержащих сегнетоэлектриков и ферромагнетиков
(7.6)
где – удельная электрическая проводимость; – диэлектрическая проницаемость среды; – магнитная проницаемость среды; напряженность поля сторонних сил.
Представим уравнения (1)-(4) через оператор :
(1) ;
(2) ; (7.7)
(3) ;
(4) .
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме с уравнением движения заряженных частиц под действием силы Лоренца , составляют фундаментальную систему уравнений, которая, в принципе достаточна, для описания всех электромагнитных явлений, в которых не проявляются квантовые эффекты.
Дальнейшим развитием теории электромагнитного поля Максвелла явилась электронная теория, созданная Лоренцем.
Свойства уравнений Максвелла
1. Уравнения Максвелла – линейны (содержат первые производные векторов и первые степени . Свойство линейности связано с принципом суперпозиции полей.
2. Уравнения Максвелла содержат уравнение непрерывности, выражающее закон сохранения электрического заряда .
Покажем это. Запишем 2 уравнение Максвелла через оператор .
. Возьмем от левой и правой частей уравнения:
. Учитывая, что , получим
.
3. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца: их вид не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, хотя в них преобразуются по определенным правилам.
4. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрических и магнитных полей (существуют электрические заряды, но нет магнитных зарядов). Для нейтральной однородной непроводящей среды , они симметричны (за исключением знака).
(левовинтовая система),
(правовинтовая система).
5. Из уравнений Максвелла вытекает существования электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.
Электромагнитные волны
Докажем, что из уравнений Максвелла вытекает существование электромагнитных волн.
Рассмотрим среду с( ).
Перепишем уравнения Максвелла для векторов :
(1)
(2) (7.8)
(3)
(4) ,
Возьмем от правой и левой частей (1):
. (7.9)
Воспользуемся следующим тождеством:
.
Тогда с учетом перестановочности операций перепишем (7.9)
,
так как , получим
. (7.10)
Введем величину с размерностью скорости , обозначим
. (7.11)
Тогда (7.10), с учетом (7.11)
, (7.12)
где оператор Лапласа.
Аналогичным образом можно поступить с уравнением (2) из системы (7.8) и прийти к уравнению: , а потом к
. (7.13)
Уравнения (7.12) и (7.13) представляют собой волновые уравнения, типа:
Функция , удовлетворяющая этому уравнению, описывает некоторую волну, распространяющуюся в пространстве со скоростью , т.е. решением волнового уравнения является бегущая гармоническая или плоская волна.
Таким образом, вектора и описывают волновой процесс, распространяющийся в пространстве со скоростью (7.14)
Скорость также можно выразить по-другому:
(7.15)
где скорость электромагнитных волн в вакууме;
- абсолютный показатель преломления среды.
Для вакуума , так как ( )
Таким образом, электромагнитное поле вне источников имеет вид бегущей электромагнитной волны, распространяющейся в пространстве со скоростью, определяемой равенством (7.15).
Максвелл предсказал существование электромагнитных волн в 1865 г., а
открыты электромагнитные волны были Герцем в 1888 г, который подтвердил экспериментально теорию Максвелла.
Плоские электромагнитные волны и их свойства
1) электромагнитные волны – поперечные. Векторы и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. причем .
1) 2) векторы , и образуют правую тройку векторов;
3) в случае плоской монохроматической волны ( ), распространяющейся в направлении оси , проекции векторов и на оси координат совершают гармонические колебания одинаковой частоты, равной частоте волны
(7.16)
где , – начальные фазы.
Волны, описываемые уравнениями (7.16), удовлетворяют волновым уравнениям (7.12) и (7.13);
4) векторы и всегда колеблются в одинаковых фазах, т.е. векторы и одновременно обращаются в нуль, и их модули одновременно достигают максимальных значений. Математически это означает, что в уравнениях (7.16) .
Мгновенные значения и связаны соотношением:
. (7.17)
5) электромагнитная волна обладает импульсом и переносит энергию вдоль направления своего распространения.
Плотность потока электромагнитной энергии определяется по формуле
. (7.18)
Вектор называют вектором Пойнтинга.
Вектор направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.
Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 273; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!