Статьи о |
Электромагнетизм |
---|
В физике , то вектор Пойнтинга представляет собой направленный поток энергии (передачу энергии на единицу площади за единицу времени) в качестве электромагнитного поля . СИ единица вектора Пойнтинга является ватт на квадратный метр (Вт / м 2 ). Он назван в честь его первооткрывателя Джона Генри Пойнтинга, который первым вывел его в 1884 году. [1] : 132 Оливер Хевисайд также независимо открыл его в более общей форме, которая признает свободу добавления ротора произвольного векторного поля к определению. [2] Вектор Пойнтинга используется повсюдуэлектромагнетизм в сочетании с теоремой Пойнтинга , уравнением неразрывности, выражающим сохранение электромагнитной энергии , для расчета потока мощности в электрических и магнитных полях.
Определение [ править ]
В оригинальной статье Пойнтинга и во многих учебниках вектор Пойнтинга определяется как [3] [4] [5]
где жирные буквы обозначают векторы, а
- E - вектор электрического поля ;
- H - вектор вспомогательного поля магнитного поля .
Это выражение часто называют формой Авраама . [6] вектор Пойнтинга обычно обозначается S или N .
В «микроскопической» версии уравнений Максвелла это определение необходимо заменить определением в терминах электрического поля E и магнитного поля B (описанного далее в статье).
Также возможно объединить поле электрического смещения D с магнитным полем B, чтобы получить форму Минковского вектора Пойнтинга, или использовать D и H, чтобы построить еще одну версию. Выбор был спорным: Pfeifer et al. [7] суммируют и в определенной степени разрешают многовековой спор между сторонниками форм Авраама и Минковского (см. Противоречие Абрахама и Минковского ).
Вектор Пойнтинга представляет собой частный случай вектора потока энергии для электромагнитной энергии. Однако любой тип энергии имеет свое направление движения в пространстве, а также свою плотность, поэтому векторы потока энергии могут быть определены и для других типов энергии, например, для механической энергии . Вектор Умова – Пойнтинга [8], открытый Николаем Умовым в 1874 году, описывает поток энергии в жидких и упругих средах в полностью обобщенном виде.
Интерпретация [ править ]
Вектор Пойнтинга фигурирует в теореме Пойнтинга (вывод см. В этой статье), законе сохранения энергии:
где J F представляет собой плотность тока из свободных зарядов и у является плотность электромагнитной энергии для линейных, недиспергирующих материалов, дается
где
- E - электрическое поле;
- D - поле электрического смещения;
- B - магнитное поле;
- H - дополнительное магнитное поле. [9] : 258–260
Первый член в правой части представляет поток электромагнитной энергии в небольшой объем, а второй член вычитает работу, совершаемую полем над свободными электрическими токами, которые, таким образом, выходят из электромагнитной энергии в виде рассеяния , тепла и т. Д. По определению, связанные электрические токи не включены в этот термин, а вместо этого вносят вклад в S и u .
Для линейных, недисперсных и изотропных (для простоты) материалов определяющие соотношения можно записать в виде
где
- ε - диэлектрическая проницаемость материала;
- μ - проницаемость материала. [9] : 258–260
Здесь ε и μ - скалярные действительные константы, не зависящие от положения, направления и частоты.
В принципе, это ограничивает теорему Пойнтинга в такой форме полями в вакууме и недисперсными линейными материалами. Обобщение на дисперсные материалы возможно при определенных обстоятельствах за счет дополнительных условий. [9] : 262–264
Одним из следствий формулы Пойнтинга является то, что для того, чтобы электромагнитное поле работало, должны присутствовать как магнитное, так и электрическое поля. Одно только магнитное поле и одно электрическое поле не могут сделать никакой работы. [10]
Формулировка в терминах микроскопических полей [ править ]
«Микроскопическая» (дифференциальная) версия уравнений Максвелла допускает только фундаментальные поля E и B , без встроенной модели материальных сред. Используются только диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость вакуума, D или H отсутствуют . При использовании этой модели вектор Пойнтинга определяется как
где
- μ 0 - вакуумная проницаемость ;
- E - вектор электрического поля;
- B - вектор магнитного поля.
Фактически это общее выражение вектора Пойнтинга. [11] Соответствующая форма теоремы Пойнтинга такова:
где J - полная плотность тока, а плотность энергии u определяется выражением
где ε 0 является вакуумной диэлектрической проницаемостью , а обозначение Е 2 понимаются скалярное произведение реального вектора Е (т) с самими собой, таким образом, квадратом из векторной нормы || E ||. Его можно вывести непосредственно из уравнений Максвелла только в терминах полного заряда и тока и закона силы Лоренца .
Эти два альтернативных определение Пойнтинга вектора равно в вакууме или в немагнитных материалах, где B = ц 0 H . Во всех остальных случаях они отличаются тем, что S = (1 / μ 0 ) E × B, а соответствующие u являются чисто радиационными, поскольку диссипативный член - J ⋅ E покрывает полный ток, а определение E × H имеет вклады от связанные токи, которые затем исключаются из диссипативного члена. [12]
Поскольку при выводе S = (1 / μ 0 ) E × B и плотности энергии возникают только микроскопические поля E и B , предположения о любом присутствующем материале избегаются. Вектор Пойнтинга, теорема и выражение для плотности энергии универсально применимы для вакуума и любых материалов. [12]
Усредненный по времени вектор Пойнтинга [ править ]
Вышеупомянутая форма для вектора Пойнтинга представляет мгновенный поток энергии из-за мгновенных электрических и магнитных полей. Чаще всего проблемы в электромагнетизме решаются с помощью синусоидально изменяющихся полей на заданной частоте. Затем результаты можно применять в более общем плане, например, представляя некогерентное излучение как суперпозицию таких волн на разных частотах и с флуктуирующими амплитудами.
Таким образом, мы не будем рассматривать мгновенные E ( t ) и H ( t ), использованные выше, а скорее комплексную (векторную) амплитуду для каждого, которая описывает фазу когерентной волны (а также амплитуду) с использованием векторной записи. Эти комплексные векторы амплитуды не являются функциями времени, поскольку они понимаются как относящиеся к колебаниям за все время. Под вектором, например E m , понимается синусоидально изменяющееся поле, мгновенная амплитуда которого E ( t ) соответствует действительной части E m e jωt, где ω - частота (радиан) рассматриваемой синусоидальной волны.
Во временной области будет видно, что мгновенный поток мощности будет колебаться с частотой 2 ω . Но обычно представляет интерес средний поток мощности, в котором эти колебания не учитываются. В приведенной ниже математике это достигается интегрированием за полный цикл T = 2 π / ω . Следующая величина, по-прежнему называемая «вектором Пойнтинга», выражается непосредственно через векторы как:
где ∗ обозначает комплексное сопряжение. Поток мощности усредненных по времени ( в соответствии с мгновенным вектором Пойнтинга , усредненным по полному циклу, например) , затем задаются вещественной частью из S м . Мнимая часть обычно игнорируется, однако она означает «реактивную мощность», такую как помехи из-за стоячей волны или ближнего поля антенны. В одной плоской электромагнитной волне (а не в стоячей волне, которую можно описать как две такие волны, распространяющиеся в противоположных направлениях), E и H точно совпадают по фазе, поэтому S m - это просто действительное число в соответствии с приведенным выше определением.
Эквивалентность Re ( S m ) среднему по времени мгновенного вектора Пойнтинга S можно показать следующим образом.
Среднее значение мгновенного вектора Пойнтинга S с течением времени определяется как:
Второй член - это двухчастотная составляющая, имеющая среднее значение, равное нулю, поэтому мы находим:
Согласно некоторым соглашениям коэффициент 1/2 в приведенном выше определении может быть опущен. Умножение на 1/2 требуется для правильного описания потока мощности, поскольку величины E m и H m относятся к пиковым полям осциллирующих величин. Если, скорее, поля описываются в терминах их среднеквадратичных (среднеквадратичных) значений (каждое из которых меньше на коэффициент ), то правильный средний поток мощности получается без умножения на 1/2.
Примеры и приложения [ править ]
Коаксиальный кабель [ править ]
Например, вектор Пойнтинга внутри диэлектрического изолятора в виде коаксиального кабеля почти параллельно оси проволоки (не предполагая полей снаружи кабеля и длиной волны длиннее , чем диаметр кабеля, в том числе DC). Электрическая энергия, подаваемая на нагрузку, полностью проходит через диэлектрик между проводниками . В самих проводниках течет очень мало энергии, так как напряженность электрического поля почти равна нулю. Энергия, протекающая в проводниках, течет в проводники радиально и учитывает потерю энергии на резистивный нагрев проводника. За пределами кабеля энергия также не течет, поскольку там магнитные поля внутренних и внешних проводников сводятся к нулю.
Резистивное рассеивание [ править ]
Если проводник имеет значительное сопротивление, то вблизи поверхности этого проводника вектор Пойнтинга будет наклонен к проводнику и столкнется с ним. Как только вектор Пойнтинга входит в проводник, он изгибается в направлении, почти перпендикулярном поверхности. [13] : 61 Это следствие закона Снеллиуса и очень медленной скорости света внутри проводника. Можно дать определение и вычисление скорости света в проводнике. [14] : 402 Внутри проводника вектор Пойнтинга представляет собой поток энергии из электромагнитного поля в провод, вызывая резистивный джоулев нагрев.в проводе. Для вывода, который начинается с закона Снеллиуса, см. Reitz, стр. 454. [15] : 454
Плоские волны [ править ]
В распространяющейся синусоидальной линейно поляризованной электромагнитной плоской волне с фиксированной частотой вектор Пойнтинга всегда указывает в направлении распространения, колеблясь по величине. Усредненная по времени величина вектора Пойнтинга находится, как указано выше, равной:
где E m - комплексная амплитуда электрического поля, а η - характеристический импеданс передающей среды, или просто η 0 ≈ 377 Ом для плоской волны в свободном пространстве. Это непосредственно следует из приведенного выше выражения для среднего вектора Пойнтинга с использованием векторных величин и того факта, что в плоской волне магнитное поле H m равно электрическому полю E m, деленному на η (и, следовательно, точно по фазе).
В оптике усредненное по времени значение излучаемого потока технически известно как энергетическая освещенность , чаще просто интенсивность .
Радиационное давление [ править ]
Плотность импульса электромагнитного поля равна S / c 2, где S - величина вектора Пойнтинга, а c - скорость света в свободном пространстве. Давление излучения , оказываемое электромагнитной волны на поверхности мишени задается
Статические поля [ править ]
Рассмотрение вектора Пойнтинга в статических полях показывает релятивистский характер уравнений Максвелла и позволяет лучше понять магнитную составляющую силы Лоренца , q ( v × B ) . Для иллюстрации рассмотрено сопроводительное изображение, которое описывает вектор Пойнтинга в цилиндрическом конденсаторе, который находится в поле H (указывает на страницу), создаваемом постоянным магнитом. Хотя существуют только статические электрические и магнитные поля, вычисление вектора Пойнтинга создает круговой поток электромагнитной энергии по часовой стрелке без начала и конца.
Хотя циркулирующий поток энергии может показаться нелогичным, необходимо поддерживать сохранение углового момента . Плотность импульса пропорциональна плотности потока энергии, поэтому циркулирующий поток энергии содержит угловой момент. [16] Это причина магнитной составляющей силы Лоренца, которая возникает, когда конденсатор разряжен. Во время разряда угловой момент, содержащийся в потоке энергии, истощается, поскольку он передается зарядам разрядного тока, пересекающим магнитное поле.
Добавление завитка векторного поля [ править ]
Вектор Пойнтинга встречается в теореме Пойнтинга только через его расходимость ∇ ⋅ S , то есть требуется только, чтобы поверхностный интеграл вектора Пойнтинга вокруг замкнутой поверхности описывал чистый поток электромагнитной энергии в замкнутый объем или из него. Это означает, что добавление соленоидального векторного поля (одно с нулевой дивергенцией) к S приведет к другому полю, которое удовлетворяет этому требуемому свойству векторного поля Пойнтинга согласно теореме Пойнтинга. Поскольку дивергенция любого ротора равна нулю , можно добавить ротор любого векторного поля к вектору Пойнтинга и полученному векторному полю S 'по-прежнему удовлетворяет теореме Пойнтинга. [9] : 258–260
Однако специальная теория относительности , в которой энергия и импульс определяются локально и инвариантно с помощью тензора энергии-импульса , показывает, что данное выше выражение для вектора Пойнтинга единственно. [9] : 258–260 605–612
Ссылки [ править ]
- ^ Страттон, Джулиус Адамс (1941). Электромагнитная теория (1-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-470-13153-4.
- ^ Nahin, Paul J. (2002). Оливер Хевисайд: жизнь, работа и времена гения-электрика викторианской эпохи . п. 131. ISBN. 9780801869099.
- ^ Пойнтинг, Джон Генри (1884). «О передаче энергии в электромагнитном поле» . Философские труды Лондонского королевского общества . 175 : 343–361. DOI : 10,1098 / rstl.1884.0016 .
- ^ Грант, Ян С .; Филлипс, Уильям Р. (1990). Электромагнетизм (2-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-92712-9.
- ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (2012). Введение в электродинамику (3-е изд.). Бостон: Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-321-85656-2.
- ^ Кинслер, Пол; Фаваро, Альберто; Макколл, Мартин В. (2009). «Четыре теоремы Пойнтинга». Европейский журнал физики . 30 (5): 983. arXiv : 0908.1721 . Bibcode : 2009EJPh ... 30..983K . DOI : 10.1088 / 0143-0807 / 30/5/007 .
- ^ Пфайфер, Роберт NC; Nieminen, Timo A .; Heckenberg, Norman R .; Рубинштейн-Данлоп, Галина (2007). «Импульс электромагнитной волны в диэлектрических средах». Обзоры современной физики . 79 (4): 1197. arXiv : 0710.0461 . Bibcode : 2007RvMP ... 79.1197P . DOI : 10.1103 / RevModPhys.79.1197 .
- ^ Умов, Николай Алексеевич (1874). «Теорема Ein über die Wechselwirkungen в Endlichen Entfernungen» . Zeitschrift für Mathematik und Physik . 19 : 97–114.
- ^ a b c d e Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-30932-1.
- ^ "Примеры физики К. Макдональда - Рейлган" (PDF) . puhep1.princeton.edu . Источник 2021-02-14 .
- ^ Зангвилл, Эндрю (2013). Современная электродинамика . Издательство Кембриджского университета. п. 508. ISBN 9780521896979.
- ^ a b Рихтер, Феликс; Флориан, Матиас; Хеннебергер, Клаус (2008). «Теорема Пойнтинга и сохранение энергии при распространении света в ограниченных средах». EPL . 81 (6): 67005. arXiv : 0710.0515 . Bibcode : 2008EL ..... 8167005R . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 81/67005 .
- ^ Харрингтон, Роджер Ф. (2001). Гармонические во времени электромагнитные поля (2-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-471-20806-8.
- ^ Хейт, Уильям (2011). Инженерная электромагнетизм (4-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-338066-7.
- ^ Reitz, Джон R .; Милфорд, Фредерик Дж .; Кристи, Роберт В. (2008). Основы электромагнитной теории (4-е изд.). Бостон: Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-321-58174-7.
- ^ Фейнман, Ричард Филлипс (2011). Лекции Фейнмана по физике . Vol. II: В основном электромагнетизм и материя (изд. Новое тысячелетие). Нью-Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-02494-0.
Дальнейшее чтение [ править ]
В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: вектором Пойнтинга |
В Викиверситете есть урок по теореме Пойнтинга |
- Беккер, Ричард (1982). Электромагнитные поля и взаимодействия (1-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-64290-1.
- Эдминистер, Джозеф; Нахви, Махмуд (2013). Электромагнетизм (4-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-183149-9.