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文檔簡介
第五章電磁波的輻射電磁波的激發(fā)變化的電荷和電流分布激發(fā)變化電磁場變化電磁場對源的依賴關(guān)系?tD
=
r?B·
E
=
-?tB
=
0·
H
=
J
+
?DD
=
e
E0B
=
m0
H真空§1
電磁場的矢勢和標勢1.一般電磁場的勢B
=
0B
=
·
A矢勢?t·
E
=
-
?B?t
·
E
+
?A
=
0?tE
+
?A
=
-
j標勢?tE
=-
j
-
?A2.規(guī)范變換電磁勢的不確定性j¢=
j
-
?y?tA¢=
A
+
y規(guī)范變換·
y
=
0·
A¢=
·
A-=
-?t?
y
=
?y?t?t?tj¢-
?A¢j
-
?A3.電磁勢的微分方程D
=
r?t·
H
=
J
+
?D?t2j
+
?
A
=
-
r
e01
?j
-
c2?t?t
21
?2
A·(
·
A)=
m0
J
-
c2(=·
·
AA)-2
A201
?j
-?t
2?t1
?2
AA
-c2A
+c2=
-m
J2201
?2j
?
1
?j
rj
-c
?t
2
+
?t
?t
=
-
eA
+c2Coulomb規(guī)范
A
=
020c2e?t
2?t1
?2
A
1
?A
-c2-
j
=
-m0
J2j
=-
rE
=
EL
+
ETL?AE
=-
j
ET
=-?tLorentz規(guī)范1
?j=
0?tA
+c2220c2?t
22j
-1
?
j
=
-
r?t
2
e1
?2
AA
-c2=
-m0
Jd’Alembert方程有源波動方程例1
平面電磁波的電磁勢解法J
=
0
r
=
0222=
0?t
21
?2jj
-=
0c
?t
21
?2
AA
-c2自由空間波動方程平面波解((00i
k
x
-w
ti
k
x
-w
tA(x,
t
=
A
ej
(x,
t
=
j
ew
=
ck1
?jA
+
=
0c2
?t?fi
ikc2fi
-iw j0
=
k A0
=
cek
A0?t
wB
=
·
A
=
ik
·
A?t?AE
=-
j
-c2w=
-ikj
+iw
A
j0
=
k
A02ic2
ic2
kE
=-
(k
A)k
-
k
A
=
-
k
·(k
·
A)=
-c
·
Bw
w
k洛倫茲規(guī)范下的剩余規(guī)范自由度A0¢=
A0
+a
k
j0¢=
j0
+awk A
=
0B
=
ik
·
Aj
=
0
E
=
iw
A2c2-?t
2?tj
=
02j
=
01
?2
A
1
?A
-c2庫侖規(guī)范(0i
k
x
-w
tj
(x,
t=
0
A(x,
t
=
A
eA
=
0
k A
=
0B
=
ik
·
AE
=
iw
A§2
推遲勢2201
?2j
r?t
2?t
2
=
-
e1
?2
AA
-c2=
-m0
J
j
-
c200e2j
=-
r2
A
=
-m
J變化電荷和電流分布J
r電磁勢A
j靜場14π
r4πe
rV
¢
0
V
¢Jr
x¢
dV
¢A(x
)=
m0
x¢
dV
¢
j
(x
)=積分遍及全部電荷和電流的分布區(qū)域Poisson方程d’Alembert方程?tj
-
?AB
=
·
A E
=
-1.變化點電荷的標勢原點處的變化點電荷221
?2j=
0c
?t
2x
?
0
j
-2203Q
(teQ
t
x
=
01
?2j
j
-dV
=
-c
?t
2
V
=4
πR3
fi
0
x
=
0球?qū)ΨQ性j
=
j
r,
tj
=
j
r,q,f,
t?
+
?q
?
+
?f
?
?
=
?r?xi
?xi2222221sinq1
?2?r
?xi
?q
?xi
?f?21
?
?
=r
++r
?rr
sinq
?q?qr
sin
q
?f1
?21
?2j=
0r
?r
2
(rj
)-
c2
?t
2x
?
0u
r,
t=
rj
r,
tc2?2u
1
?2u-=
0?r
2
?t
2一維波動方程通解u
=
f
t
-
r
+
g
t
+
r
c
c
rf t
-
r
c
g t
+
r
cj
=
+向外發(fā)散的球面波r向內(nèi)匯聚的球面波rt
-
r
cj
(r,
t
)=
f221
?2jj
-=
0c
?t
2任意函數(shù)形式
f
均滿足
x
?
02203Q
(te1
?2j
j
-dV
=
-c
?t
2V
=4
πR3
fi
0
x
=
0決定f202
11Q
(te1
?2
f
f
+r
f
r
+
2dV
=
-f
-c2
r
?t
2
Rfi
0
R21r
Rrrf
(t
-
r
c)
2
1
dV
=
f
(t
)Rfi
0Rfi
0Rfi
02
1
dV
=
f
(t
)
1
dSr2Rrr3RRfi
0Rfi0Rfi0dS
=
-4πr1
dS
=
-dS
=
-lim
14πe0f
(t
)=
Q
t4πe0f
(t
-
r
c)=
Q t
-
r
c4πe0rj
(r,
t
)=
Q t
-
r
cQ
x¢,
t4πe0
rj
(x,
t
)=
Q
x¢,
t
-
r
cx
點處的變化點電荷r
=
x
-
x¢2.變化電荷和電流分布的電磁勢14πe
0
V
¢r
x¢,
t
-
r
c
dVj
(x,
t
)=dQ
x¢,
t
-
r
c
=
r
x¢,
t
-
r
c
dV線性方程的疊加性20c21
?2j
rj
-=
-?t
2
e0c2?t
21
?2
A2
A
-=
-m
J4π
rV
¢rJ
x¢,
t
-
r
c
dVA(x,
t
)=
m0
推遲勢r
=
x
-
x¢電磁場以光速傳播,源對場點的物理作用有時間上的推遲恒定電荷電流分布情形,推遲勢回復(fù)到靜電標勢和靜磁矢勢3.推遲勢滿足洛倫茲規(guī)范的證明c2?tA
+
1
?j
=
01rrdV
¢4πe
0
V
¢m
4π
V
¢r
x¢,
t
-
r
c
dVj
(x,
t
)=J
(x¢,
t
-
r
c)A(x,
t
)=
0
r4π
V
¢J
x¢,
t
-
r
c
dVA(x,
t
)=
m0
1rJ
x¢,
t¢
1=
J
(x¢,
t¢)+
J
(x¢,
t¢)
r
rt¢=
t
-
r
c(
)(t?t¢
x¢
?J
x¢,
t¢J
x¢,
t¢
=f
r
=-
¢f
rr
=
x
-
x¢1r¢¢¢
¢
¢=-
¢r
?t
x¢J
(x¢,
t¢r1
?J
(x¢,
t¢
t
-
J
(x
,
t
)1rr¢¢
¢ ¢
=-
1rJ
x¢,
t¢J
(x
,
t
)¢
J
(x¢,
t¢)¢t
t¢?t¢
x¢
?J
(x¢,
t¢
+¢
J
(x¢,
t¢)=
¢
J
(x¢,
t¢)rt¢J
x¢,
t¢
J=-
¢x¢,
t¢
1r
+
r
¢
J
(x¢,
t¢)r¢V
¢S
¢J
x¢,
t¢J
x¢,
t¢rdS¢=
0dV
¢=區(qū)域邊界J
x¢,
t¢
=
0t¢1
4π
V
¢rA(x,
t
)=
m0
¢
J
(x¢,
t¢)
dV
¢1r?t4πe
?t0
V
¢?
r
x¢,
t
-
r
c
dV?
j
(x,
t
)=?
f
(t¢)=
?
f
(t¢)?t
?t¢t¢=
t
-
r
cdVr
?t?t¢4πe
0
V
¢
x¢1
?r
(x¢,
t¢
?
j
(x,
t
)=
1
(
)t¢
?t¢
x¢
?r
(x¢,
t¢
¢
Jx¢,
t¢
=
-電流連續(xù)性方程c2?tA
+
1
?j
=
0§3
諧振蕩電流的電磁場微觀變速帶電粒子宏觀
變化電流分布輻射電磁波1.單頻諧振電流的電磁場r4π
V
¢J
x¢,
t
-
r
c
dVA(x,
t
)=
m0
(0-iw
tJ
(x¢,
t
=
Jx¢ek
=
w
c(
)
0
0
0
dVrm4π
V
¢J
(x¢
eikrA
x
=(0-iw
tA(x,
t=
A
x
e(0-iw
tr
(x¢,
t
=
rx¢e?r?tJ
=-00iwr
=
JB
=
·
A1r4πe
0
V
¢r
x¢,
t
-
r
c
dVj
(x,
t
)=(0-iw
tj
(x,
t
=
jx
e01
0
dVr4πe
0
V
¢r
(x¢
eikrj
(x
)=?tE
=-
j
-
?A(0-iw
tB
(x,
t
=
Bx
e00B
=
·
A(0-iw
tE
(x,
t
=
Ex
e0E
=-
j0
+iw
A0c2?t·
B
=
1
?EkE
=
i
c
·
B單頻諧振源激發(fā)同頻諧振電磁場?t?E
=
-iw
E2.推遲勢的多極展開(0-iw
tJ
(x¢,
t
=
Jx¢e(0-iw
tA(x,
t=
A
x
e(
)
0
0
0
dVrV
¢m
4π
J
(x¢
eikrA
x
=R
=
xr
=
x
-
x¢Vx
OxrRR+R
x¢1
+
=
1
1+
eR1
=
1
-
x¢r
Rr
=
R
-
x¢R
+
=
R
-
eR
x¢+eikrR=
eikR
(1-
ikex¢+Rxm¢ax
1lxm¢ax
1kl
=
2π近區(qū)
xm¢ax
R
l(
)00m4π
rV
¢J0x¢
dVA
x
?0r04πe
r0
V
¢x¢
dVj
(x
)?
1
推遲效應(yīng)可忽略準靜(似穩(wěn))場源與場關(guān)系類似于靜場的庫侖形式eikr=
eikR
(1-
ikeRx¢+
?
eikR
?1r
R
RR+R
x¢1
=
1
-
x¢
1
+
=
1
1+
eR(
)04πR
R
RV
¢1+m
e-iwt
ex¢A(x,
t
)=
0
Jx¢+
dVRe-iwt4πe0
R
V
¢ex¢j
(x,
t
)=r0
(x¢)1+
R
+dV感應(yīng)區(qū)xm¢ax
R
lR+R
x¢1
=
1
-
x¢r
R
R1
+
=
1
1+
eReikr=
eikR
(1-
ikeRx¢+展開式對應(yīng)各級同等重要過渡區(qū)域遠區(qū)xm¢ax
l
R1
r
?1
R(
)(0R4πRi(kR
-w
tm0eV
¢A(x,
t
)=Jx¢1-
ikex¢+)dV(
)04πe
Rei(kR-w
tV
¢j
x,
t
=r0
(x¢)(1-
ikeRx¢+)dV(
)ikr4πRV
¢A(x,
t
)?
m0J
x¢,
t
e dV
¢(
)j
1
4πe0
RV
¢x,
t
?r
(x¢,
t
)eikr
dV輻射場各向異性球面波§4
電偶極輻射(
)(
)(
)10
0
4πR
0
4πRmm
ei(kR
-w
tV
¢V
¢dV
¢=A x,
t
=Jx¢J
x¢,
t¢
dV1.輻射場t¢=
t
-
R
cn
n
n
nn
ndtV
¢J
(x¢,
t¢)dV
¢=
Q
v¢(t¢)=
d
Q
x¢(t¢)=
p
(t¢)V
¢p
(t¢
=
x¢r
(x¢,
t¢
dV((0i
kR-w
tt¢p=
p
e00V¢p
=
x¢r
(x¢
dV(
)
0 0
1i4π
Rm
w
p
ei(kR
-w
tA x,
t
=
-振蕩電偶極矩產(chǎn)生的輻射04πeikRRm
w
e-iwtB
=
·
A
=
-i
0
·
p1eikReikReikRikRRR
RRReikR
1
=+e=R
Rik
-
Re
?
ikefi
ikeR04πe
c3
Rw
2e·
p
ei(kR-w
tB=
R
0
ckE
=
i·
B
=
-ceR
·
B00R
RR4πe
c2ei(kR
-w
tw
2e
·(e
·
pE
=-2.輻射能流與功率00Rfw
2
p4πe
c3cos
kR
-wtB
=-
sinqe00Rqw
2
p4πe
c2cos
kR
-wtE
=-
sinqe1p輻射場是橫場
RzkBEq001RR2w
4
p2m16π2e
c3cos2
(kR
-wtS
=
E
·
B
=
0
sin2qe0Rw
4
p2sin2q32π2e
c3
R2S
=
0
eP
=
S
4
πR2S
dσ=π00000w
4
p2w
4
p232π
e
c
R12πe
c32πR2sin3qdq
=P
=2
3 2
平均能流輻射功率S
1
R2輻射功率與傳播距離無關(guān),電磁能可傳播至無限遠處。§5
磁偶極和電四極輻射1.輻射場t¢=
t
-
R
c(020
RR4πR4πRkm
ei
kR
-w
tV
¢V
¢A
(x,
t
)=
-iJ
(x¢)(e
x¢)dV=
-i
km0
ex¢J
(x¢,
t¢)dV
¢x¢J
=
1
(x¢J
+
Jx¢)+
1
(x¢J
-
Jx¢)2eR
x¢J
-
Jx¢
=
eR2x¢
J
-
eR
Jx¢=
-eR
·
x¢·
J(
)12V
¢t¢=mx¢·
J
(x¢,
t¢)dV((0i
kR
-w
tt¢m=
m
e002V
¢=
1mx¢·
J
(x¢)dVV
¢2
1
x¢J
(x¢,
t¢)+
J
(x¢,
t¢)x¢
dV
¢=
1
(t¢)D6V
¢D
(t¢
=
3x¢x¢r
(x¢,
t¢dV
D
(t¢
=
D0ei(kR-w
t0V
¢D0
=
3x¢x¢r
(x¢
dV2MR4πc
Rei(kR-w
t
)=
i
0
R
0
4πR
V
¢2
A
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