《电动力学chapter》PPT课件.ppt

本章难点 矢势的展开和电偶极辐射公式的导出 1 电磁场的矢势和标势的引入 规范不变性 2 达朗贝尔方程 推迟势及其物理意义 3 矢势的展开和电偶极辐射 本章重点 第五章电磁波的辐射 引言 变化的电荷 电流激发的电磁场随时间变化 有一部分电磁场以波的形式脱离场源向外运动 这被称为电磁波的辐射 本章主要研究给定高频交变电流产生的电磁辐射 一 电磁辐射 与静电场引入电势 静磁场引入标势相似 为了便于求解普适的场方程 在变化情况下仍然可以引入势的概念 但是 由于电场的旋度不为零 这里引入的矢势 标势与静场情况有很大的不同 二 引入矢势和标势求解电磁辐射问题 变化电荷 电流分布激发电磁场 电磁场又反过来影响电荷 电流分布 空间电磁场的分布就是在这一对矛盾相互制约下形成的 变化的电荷电流分布一般具有边界 因此在求解时要考虑它们的边界条件和边值关系 但是 一般情况下这种的边界很复杂 使得电荷 电流分布无法确定 因此使得求解问题无法进行 在本章我们仅讨论电荷 电流分布为已知的辐射问题 三 辐射问题的本质也是边值问题 5 1电磁场的矢势和标势 本节从电磁场满足的麦克斯韦方程出发引入矢势 标势 然后讨论电磁辐射问题 仅讨论均匀介质 由于 与静磁场相同 可以引入矢量势函数 矢势 使得 一 用势描述电磁场 1 矢势的引入 注意 与静磁场不同 引入的矢势与时间有关 意义与静磁场情况相同 即 在变化电磁场情况 不能象静电场那样直接引入标量势函数 2 标势的引入 二 规范变换和规范不变性 与静场相同 对于给定的电磁场其矢势和标势不唯一 可以有不同的矢势和标势描述同一个电磁场 1 矢势和标势的不唯一性 规范 给定一组称为一种规范 2 规范变换 两种规范间变换关系 规范变换 不同规范之间满足的变换关系称为规范变换 和对应同一个电磁场 规范不变性 在规范变换下物理规律满足的动力学方程保持不变的性质 规范场 具有规范不变性的场称为规范场 当势作规范变换时 场量E B均保持不变 即场具有 规范不变性 场量E B不变意味着电磁场中所有物理量和物理规律都保持不变 也就是说 客观规律与势的特殊规范选择无关 经典电动力学中 势是作为描述电磁场的一种方法而引入的 规范不变性是对这种描述方法所加的要求 而在量子力学中 规范不变性是一条重要的原理 因而势的地位远比在经典电动力学中重要 不仅在电磁相互作用中 而且在其它基本相互作用中 规范不变性是决定相互作用形式的一条基本原理 传递这些相互作用的场称为 规范场 电磁场是人们熟知的一种较为简单的规范场 为了减少势函数选取的任意性 对的取值加以限制 作为确定势的辅助条件称为规范的条件 在不同的问题中可采用不同的辅助条件 库仑规范 规范条件 3 两种规范 在库仑规范下 电场表达式中为横场 纵场 因此 电场的横场部分完全由决定 而纵场部分则完全由决定 在这种情况下 由电荷 电流的瞬时分布求解 与静电场的电势类似 因此称为库仑场 库仑规范下满足的方程 洛仑兹规范 规范条件 后面将看到洛仑兹规范下 所满足的方程具有高度的对称性 这种对称性将满足相对论的协变性 有很重要的理论意义 洛仑兹规范下满足的方程 证明 将 代入麦克斯韦方程并利用 得到势函数满足的方程 三 达朗贝尔方程 1 真空中的势函数满足的方程 可见满足泊松方程 与静电情况类似 即空间某处的在时刻的值由电荷在时刻的分布给出 其解为库仑势 2 库仑规范下的势函数方程 3 洛仑兹规范下的势函数方程 以上方程称为达朗贝尔方程 洛仑兹规范下的达朗贝尔方程是两个波动方程 因此由它们求出的及均为波动形式 反映了电磁场的波动性 反映了电磁场的波动性 两个方程具有高度的对称性且相互独立 求出一个解 另一个解就迎刃而解 在下一节我们将看到 洛仑兹条件下达朗贝尔方程的解直接反映出电磁相互作用需要时间 基于这些考虑 在研究辐射问题时 一般都是采用洛仑兹条件下的达朗贝尔方程 例 求单色平面电磁波的势 洛仑兹规范下 单色平面电磁波在没有电荷 电流分布的自由空间中传播 因而洛仑兹规范下的势方程 达朗贝尔方程 变为齐次波动方程 其平面波解为 A0 0为常数 则由洛仑兹规范 电场和磁场为 即使对A加上任意纵向部分A 也不会影响E B的值 这说明对平面波 即使有洛伦兹条件后 A和 仍非唯一确定 还剩下一些规范变换自由度 对此规范自由度 我们可选择最简单的规范条件 即取A只有横向部分A 垂直于波矢量k 此时有 自由空间的平面波电磁场只依赖于矢势A的横向分量A 则 上式表明 实际上只要给定A 就可确定单色平面电磁波 若采用库仑规范条件 自由空间中势方程为 当全空间没有电荷分布时 库仑场的标势 0 则矢势 将A代入库仑规范 得到 库仑规范下A的势方程仍是齐次波动方程 其解的形式为 上式说明 A只取横向分量A A 即可 以上说明 取库仑规范后 A只有横向部分A A 纵向部分A 为零 通过上面的例子可看到 库仑规范的特点是 标势 描述库仑作用 可直接由电荷分布 求出 矢势A只取横向分量即可 恰好足够描述辐射电磁波的两种独立偏振 场量只依赖于矢势A就可算出 洛仑兹规范的特点是 标势 和矢势A构成的势方程具有对称性 矢势A的纵向部分和标势 的选择还可有任意性 即存在多余的自由度 尽管如此 洛仑兹规范在相对论中显示出协变性 为后面四维空间电磁场矢势与标势的统一 以及理论探讨和实际计算都提供了很大方便 因此 本书以后都采用洛仑兹规范 设点电荷处于原点 该电荷辐射的势满足 方程中为已知 若较复杂 直接得到一般解比较困难 本节先从一个点电荷出发 然后由迭加原理得到解 一 标势和矢势满足的达朗贝尔方程的解 标势的达朗贝尔方程 1 点电荷在空间激发的标势 5 2推迟势 考虑对称性取球坐标 且与无关 标势的达朗贝尔方程化为 当时 这个类似于一维波动方程的解可以表示为 与点电荷电势类比有 若点电荷不在原点而在空间点 可以证明上述解的形式满足 式 2 连续电荷分布在空间产生的电势 3 矢势的解 由于满足的方程形式上与满足的方程一样 类比得到的解 二 证明 满足洛仑兹条件 证 令 空间点 时刻的电磁场由时刻的电荷 电流分布决定 也就是说电荷 电流产生的物理作用在经历了时间后才到达观察点 即场的传递需要时间 而相互作用的传播速度在真空中为C 1 推迟势势函数在空间点 时刻的值依赖于时刻的电荷 电流分布 即空间势的建立与场源相比推迟了 具有这样特性的势称为推迟势 三 推迟势及其物理意义 2 电磁相互作用需要时间 5 3电偶极辐射 本节仅讨论电荷分布以一定频率做周期运动 且电荷体系线度远远小于电荷到观测点的距离的情况 电磁波是从变化的电荷 电流系统辐射出来的 宏观上 主要是利用载有高频交变电流的天线产生辐射 微观上 一个做变速运动的带电粒子即可产生辐射 计算辐射场的一般计算公式当电流分布给定时 计算辐射场的基础是推迟势 若电流是一定频率 的交变电流 上式表示一种时谐波 与稳恒电流磁场相比 A x 附加了一个因子eikr 称为推迟相因子 它表示电磁波传到场点时有相位滞后kr 由洛仑兹条件 可求出标势 由此可见 由矢势A可完全确定电磁场 或由电荷守恒定律 对一定频率的交变电流情形有 这时电磁场也是时谐电磁场 电荷分布区域的线度l 它决定积分区域内的大小波长 2 k的线度源区到场点的距离r 矢势的展开式展开需注意三个线度 在电流 电荷分布区域以外 J 0 感应区 过渡区 r 电磁场的行为很复杂 一般不详细研究这一区域 本节研究小区域内的电流所产生的辐射 所谓小区域是指 l l r 根据r和 的关系 小区域又可分为三种情况 近场区 似稳区 此区域内变化电磁场与静场性质类似 远场区 辐射区 r 电磁波脱离了场源后的传播区域 通常接收电磁波的地方离发射系统很远 这类问题属于远场 我们主要讨论这一区域 这一区域内变化电磁场与静场性质类似 远场矢势的一般展开式选坐标原点在电流分布区域内 则与l同数量级 由图可知 因为 所以分母中的可以舍去 但是要注意 相因子中的不能轻易舍去 原因 电偶极辐射 近似公式可以仅取积分中的第一项 有 电偶极辐射公式 展开式各项对应于各级电磁多极辐射 考虑远区条件 即 所以有 在条件下偶极辐射的磁感应强度为 利用 选球坐标 让沿轴 则 讨论 1 电场沿经线振荡 磁场沿纬线振荡 传播方向 电场方向 磁场方向相互正交构成右手螺旋关系 2 电场 磁场正比于 因此它是空间传播的球面波 且为横电磁波 TEM波 在时可以近似为平面波 3 注意如果 不能被满足 可以证明电场不再与传播方向垂直 即电力线不再闭合 但是磁力线仍闭合 这时传播的是横磁波 TM波 平均功率 与电磁波的频率4次方成正比 四 辐射能流 角分布和辐射功率 5 7电磁场的动量 电磁场与带电物质之间存在相互作用 带电物质在受到电磁场作用时动量会发生变化 由于动量守恒 电磁场必然也具有动量 1 带电物体受到的电磁力 洛仑兹力密度 一 电磁场的动量密度和动量流密度矢量 带电物体受到力 用代表带电物体的动量 根据牛顿第二定律有 2 电磁场的动量守恒定律 若对有限区域V 考虑电磁场通过界面发生动量转移 则单位时间流入界面的动量等于区域内总动量的