Năng lượng và Động lượng Điện từ

Trường điện từ mang năng lượng và động lượng, được vận chuyển bởi vectơ Poynting và cân bằng thông qua tenxơ ứng suất Maxwell.

Definition

Nghiên cứu về cách trường điện từ lưu trữ và vận chuyển năng lượng và động lượng, được thể hiện thông qua mật độ năng lượng trường, vectơ Poynting cho thông lượng năng lượng, và tenxơ ứng suất Maxwell cho thông lượng động lượng, tất cả đều được liên kết bởi các định luật bảo toàn cục bộ.

Scope

Chủ đề này phát triển các định luật bảo toàn của điện động lực học: định lý Poynting về dòng năng lượng, mật độ năng lượng điện từ, vectơ Poynting cho thông lượng năng lượng, động lượng trường và tenxơ ứng suất Maxwell cho dòng động lượng, và áp suất bức xạ. Nó cho thấy cách các điện tích và trường trao đổi năng lượng và động lượng trong khi tổng năng lượng và động lượng được bảo toàn.

Core questions

• Một trường điện từ mang bao nhiêu năng lượng và động lượng?
• Năng lượng được vận chuyển qua một trường như thế nào theo định lý Poynting?
• Các trường tác dụng áp suất và truyền động lượng cho vật chất như thế nào?

Key concepts

• mật độ năng lượng
• vectơ Poynting
• định lý Poynting
• động lượng trường
• tenxơ ứng suất Maxwell
• áp suất bức xạ
• các định luật bảo toàn

Key theories

Định lý Poynting

Tốc độ thay đổi năng lượng trường trong một thể tích cộng với thông lượng năng lượng thoát ra qua bề mặt của nó bằng âm của công thực hiện trên các điện tích, với vectơ Poynting cho dòng năng lượng định hướng.

Động lượng trường và tenxơ ứng suất Maxwell

Các trường điện từ mang động lượng tỷ lệ với vectơ Poynting, và tenxơ ứng suất Maxwell mô tả dòng động lượng đó, giải thích các lực như áp suất bức xạ.

Clinical relevance

Sự vận chuyển năng lượng và động lượng giải thích dòng công suất trong đường truyền tải và ống dẫn sóng, áp suất bức xạ được sử dụng trong nhíp quang học và cánh buồm mặt trời, và các hiệu ứng nhiệt được khai thác trong liệu pháp tần số vô tuyến và vi sóng.

History

Poynting đã xây dựng định lý về dòng năng lượng trong trường điện từ vào năm 1884, dựa trên các khái niệm ứng suất của Maxwell. Áp suất bức xạ liên quan đã được Lebedev đo lường thực nghiệm vào khoảng năm 1900 và độc lập bởi Nichols và Hull, xác nhận rằng các trường mang động lượng.

Key figures

• John Henry Poynting
• James Clerk Maxwell
• Pyotr Lebedev

Seminal works

• poynting1884
• jackson1998

Frequently asked questions

Vectơ Poynting đại diện cho điều gì?

Nó cho biết độ lớn và hướng của dòng năng lượng điện từ trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian, do đó tích phân bề mặt của nó là công suất đi qua bề mặt đó.

Các trường điện từ có mang động lượng không?

Có; các trường lưu trữ động lượng tỷ lệ với vectơ Poynting, đó là lý do tại sao ánh sáng tạo ra áp suất bức xạ và động lượng được bảo toàn tổng thể khi các trường tương tác với vật chất.