Énergie et quantité de mouvement électromagnétiques

Les champs électromagnétiques transportent de l'énergie et de la quantité de mouvement, acheminées par le vecteur de Poynting et équilibrées par le tenseur des contraintes de Maxwell.

Definition

L'étude de la manière dont le champ électromagnétique stocke et transporte l'énergie et la quantité de mouvement, exprimée par la densité d'énergie du champ, le vecteur de Poynting donnant le flux d'énergie, et le tenseur des contraintes de Maxwell donnant le flux de quantité de mouvement, le tout étant lié par des lois de conservation locales.

Scope

Ce sujet développe les lois de conservation de l'électrodynamique : le théorème de Poynting pour le flux d'énergie, la densité d'énergie électromagnétique, le vecteur de Poynting pour le flux d'énergie, la quantité de mouvement du champ et le tenseur des contraintes de Maxwell pour le flux de quantité de mouvement, ainsi que la pression de rayonnement. Il montre comment les charges et les champs échangent énergie et quantité de mouvement, la somme totale étant conservée.

Core questions

• Quelle quantité d'énergie et de mouvement un champ électromagnétique transporte-t-il ?
• Comment l'énergie est-elle transportée à travers un champ selon le théorème de Poynting ?
• Comment les champs exercent-ils une pression et transfèrent-ils de la quantité de mouvement à la matière ?

Key concepts

• densité d'énergie
• vecteur de Poynting
• théorème de Poynting
• quantité de mouvement du champ
• tenseur des contraintes de Maxwell
• pression de rayonnement
• lois de conservation

Key theories

Théorème de Poynting

Le taux de variation de l'énergie du champ dans un volume, plus le flux d'énergie sortant par sa surface, est égal à l'opposé du travail effectué sur les charges, le vecteur de Poynting donnant le flux d'énergie directionnel.

Quantité de mouvement du champ et tenseur des contraintes de Maxwell

Les champs électromagnétiques transportent une quantité de mouvement proportionnelle au vecteur de Poynting, et le tenseur des contraintes de Maxwell décrit le flux de cette quantité de mouvement, rendant compte de forces telles que la pression de rayonnement.

Clinical relevance

Le transport d'énergie et de quantité de mouvement explique le flux de puissance dans les lignes de transmission et les guides d'ondes, la pression de rayonnement utilisée dans les pinces optiques et les voiles solaires, ainsi que les effets thermiques exploités en thérapie par radiofréquence et micro-ondes.

History

Poynting a formulé le théorème sur le flux d'énergie dans le champ électromagnétique en 1884, en s'appuyant sur les concepts de contrainte de Maxwell. La pression de rayonnement associée a été mesurée expérimentalement par Lebedev vers 1900 et indépendamment par Nichols et Hull, confirmant que les champs transportent de la quantité de mouvement.

Key figures

• John Henry Poynting
• James Clerk Maxwell
• Pyotr Lebedev

Seminal works

• poynting1884
• jackson1998

Frequently asked questions

Que représente le vecteur de Poynting ?

Il donne l'amplitude et la direction du flux d'énergie électromagnétique par unité de surface et par unité de temps ; ainsi, son intégrale de surface représente la puissance traversant cette surface.

Les champs électromagnétiques transportent-ils de la quantité de mouvement ?

Oui ; les champs stockent une quantité de mouvement proportionnelle au vecteur de Poynting, c'est pourquoi la lumière exerce une pression de rayonnement et que la quantité de mouvement est globalement conservée lorsque les champs interagissent avec la matière.