Elektromagnetische Energie und Impuls

Elektromagnetische Felder transportieren Energie und Impuls, die durch den Poynting-Vektor übertragen und durch den Maxwellschen Spannungstensor ausgeglichen werden.

Definition

Die Untersuchung, wie das elektromagnetische Feld Energie und Impuls speichert und transportiert, ausgedrückt durch die Feldenergiedichte, den Poynting-Vektor, der den Energiefluss angibt, und den Maxwellschen Spannungstensor, der den Impulsfluss angibt, alle verknüpft durch lokale Erhaltungsgesetze.

Scope

Dieses Thema entwickelt die Erhaltungsgesetze der Elektrodynamik: den Poynting-Satz für den Energiefluss, die elektromagnetische Energiedichte, den Poynting-Vektor für den Energiefluss, den Feldimpuls und den Maxwellschen Spannungstensor für den Impulsfluss sowie den Strahlungsdruck. Es wird gezeigt, wie Ladungen und Felder Energie und Impuls austauschen, während die Gesamtmenge erhalten bleibt.

Core questions

• Wie viel Energie und Impuls trägt ein elektromagnetisches Feld?
• Wie wird Energie gemäß dem Poynting-Satz durch ein Feld transportiert?
• Wie üben Felder Druck aus und übertragen Impuls auf Materie?

Key concepts

• Energiedichte
• Poynting-Vektor
• Poynting-Satz
• Feldimpuls
• Maxwellscher Spannungstensor
• Strahlungsdruck
• Erhaltungsgesetze

Key theories

Poynting-Satz

Die Änderungsrate der Feldenergie in einem Volumen plus der Energiefluss durch dessen Oberfläche ist gleich dem Negativen der an Ladungen verrichteten Arbeit, wobei der Poynting-Vektor den gerichteten Energiefluss angibt.

Feldimpuls und der Maxwellsche Spannungstensor

Elektromagnetische Felder tragen Impuls proportional zum Poynting-Vektor, und der Maxwellsche Spannungstensor beschreibt den Fluss dieses Impulses und berücksichtigt Kräfte wie den Strahlungsdruck.

Clinical relevance

Der Energie- und Impulstransport erklärt den Leistungsfluss in Übertragungsleitungen und Wellenleitern, den Strahlungsdruck, der in optischen Pinzetten und Sonnensegeln genutzt wird, sowie die Heizeffekte, die in der Radiofrequenz- und Mikrowellentherapie eingesetzt werden.

History

Poynting formulierte 1884 den Satz über den Energiefluss im elektromagnetischen Feld, aufbauend auf Maxwells Spannungsvorstellungen. Der damit verbundene Strahlungsdruck wurde um 1900 von Lebedev und unabhängig davon von Nichols und Hull experimentell gemessen, was bestätigte, dass Felder Impuls tragen.

Key figures

• John Henry Poynting
• James Clerk Maxwell
• Pyotr Lebedev

Seminal works

• poynting1884
• jackson1998

Frequently asked questions

Was stellt der Poynting-Vektor dar?

Er gibt Betrag und Richtung des Flusses elektromagnetischer Energie pro Flächeneinheit pro Zeiteinheit an, sodass sein Oberflächenintegral die Leistung ist, die diese Oberfläche durchquert.

Tragen elektromagnetische Felder Impuls?

Ja; Felder speichern Impuls proportional zum Poynting-Vektor, weshalb Licht Strahlungsdruck ausübt und der Impuls insgesamt erhalten bleibt, wenn Felder mit Materie wechselwirken.