电磁能量与动量

电磁场携带能量和动量，通过坡印亭矢量传输，并通过麦克斯韦应力张量保持平衡。

Definition

研究电磁场如何储存和传输能量与动量，通过场能量密度、给出能量通量的坡印亭矢量以及给出动量通量的麦克斯韦应力张量来表达，所有这些都通过局部守恒定律联系起来。

Scope

本主题阐述了电动力学的守恒定律：关于能量流动的坡印亭定理、电磁能量密度、表示能量通量的坡印亭矢量、场动量和表示动量流动的麦克斯韦应力张量，以及辐射压。它展示了电荷和场如何在总能量守恒的情况下交换能量和动量。

Core questions

• 电磁场携带多少能量和动量？
• 根据坡印亭定理，能量如何通过场传输？
• 场如何对物质施加压力并传递动量？

Key concepts

• 能量密度
• 坡印亭矢量
• 坡印亭定理
• 场动量
• 麦克斯韦应力张量
• 辐射压
• 守恒定律

Key theories

坡印亭定理

体积内场能量的变化率加上通过其表面的能量通量等于对电荷所做功的负值，其中坡印亭矢量给出定向能量流。

场动量和麦克斯韦应力张量

电磁场携带与坡印亭矢量成比例的动量，麦克斯韦应力张量描述了该动量的流动，解释了诸如辐射压之类的力。

Clinical relevance

能量和动量传输解释了输电线路和波导中的功率流动、光镊和太阳帆中使用的辐射压，以及射频和微波治疗中利用的加热效应。

History

坡印亭于1884年基于麦克斯韦的应力概念，提出了电磁场中能量流动的定理。相关的辐射压由列别捷夫在1900年左右以及尼科尔斯和赫尔独立实验测量，证实了场携带动量。

Key figures

• John Henry Poynting
• James Clerk Maxwell
• Pyotr Lebedev

Seminal works

• poynting1884
• jackson1998

Frequently asked questions

坡印亭矢量代表什么？

它表示单位面积单位时间内电磁能量流动的量值和方向，因此其表面积分是穿过该表面的功率。

电磁场是否携带动量？

是的；场储存的动量与坡印亭矢量成比例，这就是光会产生辐射压的原因，并且当场与物质相互作用时，总动量是守恒的。