Электромагнитная энергия и импульс

Электромагнитные поля переносят энергию и импульс, которые транспортируются вектором Пойнтинга и уравновешиваются тензором напряжений Максвелла.

Definition

Изучение того, как электромагнитное поле запасает и транспортирует энергию и импульс, выраженное через плотность энергии поля, вектор Пойнтинга, дающий поток энергии, и тензор напряжений Максвелла, дающий поток импульса, все это связано локальными законами сохранения.

Scope

Эта тема развивает законы сохранения электродинамики: теорему Пойнтинга для потока энергии, плотность электромагнитной энергии, вектор Пойнтинга для потока энергии, импульс поля и тензор напряжений Максвелла для потока импульса, а также радиационное давление. Она показывает, как заряды и поля обмениваются энергией и импульсом, при этом их общая сумма сохраняется.

Core questions

• Сколько энергии и импульса переносит электромагнитное поле?
• Как энергия транспортируется через поле согласно теореме Пойнтинга?
• Как поля оказывают давление и передают импульс веществу?

Key concepts

• плотность энергии
• вектор Пойнтинга
• теорема Пойнтинга
• импульс поля
• тензор напряжений Максвелла
• радиационное давление
• законы сохранения

Key theories

Теорема Пойнтинга

Скорость изменения энергии поля в объеме плюс поток энергии через его поверхность равен минус работе, совершаемой над зарядами, при этом вектор Пойнтинга дает направленный поток энергии.

Импульс поля и тензор напряжений Максвелла

Электромагнитные поля переносят импульс, пропорциональный вектору Пойнтинга, а тензор напряжений Максвелла описывает поток этого импульса, объясняя такие силы, как радиационное давление.

Clinical relevance

Перенос энергии и импульса объясняет поток мощности в линиях передачи и волноводах, радиационное давление, используемое в оптических пинцетах и солнечных парусах, а также тепловые эффекты, используемые в радиочастотной и микроволновой терапии.

History

Пойнтинг сформулировал теорему о потоке энергии в электромагнитном поле в 1884 году, основываясь на концепциях напряжений Максвелла. Связанное с этим радиационное давление было экспериментально измерено Лебедевым около 1900 года и независимо Николсом и Халлом, что подтвердило перенос импульса полями.

Key figures

• John Henry Poynting
• James Clerk Maxwell
• Pyotr Lebedev

Seminal works

• poynting1884
• jackson1998

Frequently asked questions

Что представляет собой вектор Пойнтинга?

Он дает величину и направление потока электромагнитной энергии на единицу площади в единицу времени, поэтому его поверхностный интеграл представляет собой мощность, пересекающую эту поверхность.

Переносят ли электромагнитные поля импульс?

Да; поля запасают импульс, пропорциональный вектору Пойнтинга, поэтому свет оказывает радиационное давление, и импульс сохраняется в целом, когда поля взаимодействуют с веществом.