电动力学汇总

⚪ 介质中麦克斯韦方程:

D=ρf×E=BtB=0×H=Jf+Dtwhere  Dϵ0E+P,  HBμ0M

其中有关系:ρp=P,  Jm=×M

介质中的电场能:ΔW=ΔDEdτ,在线性介质中 W=DEdτ。介质中的磁场能:W=12μ0B2dτ

⚪ 真空麦克斯韦方程组:

E=1ϵ0ρ×E=BtB=0×B=μ0J+ϵ0μ0Et

真空中的能量密度 ρ=12ϵ0E2+12μ0B2。能量守恒:

ρt+(1μ0E×B)+JE=0

其中 1μ0E×B=P 为坡印廷矢量(能流密度),JE 为单位体积的电力做功。

带电粒子受力密度:f=ρE+J×B。可将其写为:

fi=jTijϵ0t(E×B)iwhere  Tij=ϵ0EiEj+1μ0BiBjϵ02δijEkEk12μ0δijBkBk

其中 Tij 为应力张量。通过上式可用得到电磁场的动量密度g=ϵ0E×B=μ0ϵ0S. 动量流密度:T。角动量 l=r×g

⚪ 电磁波:单色平面波解:

E=E0ei(krωt),  B=B0ei(krωt)k×E=ωB    B=1ck^×E

光速 c=1ϵ0μ0。光的能量密度、能流密度、动量密度:

u=12ϵ0E2+12μ0B2=ϵ0E2S=cuk^=cϵ0E2k^g=1c2S=1cuk^

平均值为最大值除二。在介质中,v=1ϵμ

⚪ 单色平面波于界面的行为:

E 平行于入射反射面:

ER=αβα+βEI,  ET=2α+βEIα=cosθTcosθI=1[(n1/n2)sinθI]2cosθIβ=μ1v1μ2v2

布儒斯特角满足 α=β。折射反射率:

R=(αβα+β)2,  T=αβ(2α+β)2

E 垂直于入射反射面:

ER=1αβ1+αβEI,  ET=21+αβEIR=(1αβ1+αβ)2,  T=αβ(21+αβ)2

⚪ 导体对波的吸收与反射

导体中的麦克斯韦方程组:

E=ρfϵ,             ×E=tBB=0,     ×B=μσE+μϵEt

导体中的自由电荷扩散:ρf(t)=ρ(0)eσt/ϵρf(0)

电磁场的传播方程:

E(z,t)=E0ei(k~zωt)=E0eκzei(kzωt)B(z,t)=k~ωE0eκzei(kzωt)=KωE0eκzei(kzωt+ϕ)where  k~=k+iκ=Keiϕk=ωϵμ2(1+(σϵω)2+1)2,    κ=ωϵμ2(1+(σϵω)21)2K=ωϵμ1+(σϵω)2,   ϕ=arctanκk

⚪ 波导:

沿 z 方向的真空直理想导体管中的波形式设为:

E=(Exx^+Eyy^+Ezz^)expi(kzωt)B=(Bxx^+Byy^+Bzz^)expi(kzωt)

其中 Ei,Bix,y 的函数。边界条件:

E//|boundary=0,  B|boundary=0

对于非TEM解,ωkc,有:

Ex=i(ω/c)2k2(kEzx+ωBzy)Ey=i(ω/c)2k2(kEzyωBzx)Bx=i(ω/c)2k2(kBzxωc2Ezy)By=i(ω/c)2k2(kBzy+ωc2Ezx)

其中 Ez,Bz 为两独立方程的解,且满足边界条件。

[2x2+2y2+(ωc)2k2]Ez=0[2x2+2y2+(ωc)2k2]Bz=0

⚪ 真空中麦克斯韦方程的通解

定义标势、矢势:

E=VAtB=×A

可改写麦克斯韦方程组为:

ρϵ0=2V+tAμ0J=(A+ϵ0μ0Vt)+ϵ0μ02At22A

洛伦兹规范:A+ϵ0μ0Vt=0。上式化简为:

ρϵ0=ϵ0μ02t2V2Vμ0J=ϵ0μ02t2A2A

其通解为:

V(r,t)=14πϵ0d3rρ(r,t/c)A(r,t)=μ04πd3rJ(r,t/c)where  =rr

利用它可得Jefimenko公式:

E(r,t)=14πϵ0d3r(ρ(r,tr)2^+ρ˙(r,tr)c^J˙(r,tr)c2)B(r,t)=μ04πd3r(J(r,tr)2+J˙(r,tr)c)×^

⚪ 动点电荷的场:

Lienard-Wiechert势:

V(r,t)=14πϵ0qc(cv^)A(r,t)=μ04πqcv(cv^)

其中 v=v(tr)。由此可得:

E(r,t)=q4πϵ0(u)3[(c2v2)u+×(u×a)]B(r,t)=q4πϵ0c(u)3×[(c2v2)u+×(u×a)]where  u=c^v

对于匀速电荷,a=0,可将上式简化为:

E(r,t)=q4πϵ01v2/c2(1v2sin2θ/c2)3/2R^R2B(r,t)=1c^×E=1c2v×Ewhere  R=rr(t)=rvt,   θ=R,v

⚪ 电偶极子辐射:p=p0cosωt。在 dλr 的情况下,(r,θ,ϕ) 处的势和场和辐射为:

V(r,t)=p0ω4πϵ0ccosθrsin[ω(tr/c)]A(r,t)=μ0p0ω4πsin[ω(tr/c)]E(r,t)=μ0p0ω24πsinθrcos[ω(tr/c)]θ^B(r,t)=μ0p0ω24πcsinθrcos[ω(tr/c)]ϕ^S(r,t)=μ0p02ω432π2csin2θr2r^P=μ0p02ω412πc

⚪ 磁偶极子辐射:m=m0cosωtdλr 的情况下,(r,θ,ϕ) 处的和场和辐射为:

V(r,t)=0A(r,t)=μ0m0ω4πcsinθrsin[ω(tr/c)]ϕ^E(r,t)=μ0m0ω24πcsinθrcos[ω(tr/c)]ϕ^B(r,t)=μ0m0ω24πc2sinθrcos[ω(tr/c)]θ^S(r,t)=μ0p02ω432π2c3sin2θr2r^P=μ0p02ω412πc3

⚪ 任意形状的小带电区的辐射:在 rc|ρ(n)/ρ˙|1/nr 下。

V(r,t)14πϵ0(Qr+rp(tr/c)r3+rp˙(tr/c)r2c)A(r,t)μ04πp˙(tr/c)r   VJd3r=p˙

只留有效的(r1)的项,得:

E(r,t)μ04πr[r^×(r^×p¨(tr/c))]B(r,t)μ04πrc[r^×p¨(tr/c)]

p¨//z^,则有:

E(r,t)μ0p¨(tr/c)4πsinθrθ^B(r,t)μ0p¨(tr/c)4πcsinθrϕ^S(r,t)=μ016π2c[p¨(tr/c)]2sin2θr2r^P(t)=μ06πc[p¨(tr/c)]2

对点电荷,取 p=qr,则有拉莫尔公式:

P=μ0q2a26πc

⚪ 点电荷的辐射:接收处能流密度(坡印廷矢量)仅由加速度场决定:

Erad(r,t)=q4πϵ0(u)3×(u×a)S(r,t)=^cμ0Erad2

vc 可得拉莫尔公式:

S(r,t)=a2sin2θ16πϵ0c32^P(r,t)=μ0q2a26πc

从接收处反推辐射处:

dPdΩ|emit=(1^vc)S2=ucS2=q216π2ϵ0|^×(u×a)|2(^u)5P=dΩdPdΩ=μ0q2γ66πc(a2|v×ac|2)

⚪ 辐射反作用力:初末态相同(v,a 相同)的点电荷沿 v 方向的受力最简可能表达式(Abraham-Lorentz):

Frad=μ0q26πca˙

⚪ 相对论时空观:

洛伦兹变换矩阵:

Λμν=(γγβγβγ11),    μ,ν=0,1,2,3

坐标(位移对偶矢量)变换:

xμ=(x0,x1,x2,x3)=(ct,x,y,z)x¯ν=Λνμxμ

四速度(世界线切矢量)变换:

ημ=(c1u2/c2,u1u2/c2)η¯ν=Λνμημ

对应速度变换:

u¯x=uxv(1vux/c2)u¯y=uyγ(1vux/c2)u¯z=uzγ(1vux/c2)

⚪ 相对论动力学:

四动量变换:

pμ=mημ=(mc1u2/c2,mu1u2/c2)p¯ν=Λνμpμ

四力:

Kμ=dpμdτKμ=(dEcdτ,11u2/c2F)

⚪ 相对论电动力学:

电磁场变换:

Ex=Ex,  Ey=γ(EyvBz),  Ez=γ(Ez+vBy)Bx=Bx,  By=γ(By+vEz/c2),  Bz=γ(BzvEy/c2)

电磁场张量:

Fμν=(0ExcEycEzcExc0BzByEycBz0BxEzcByBx0)Gμν=(0BxByBzBx0EzcEycByEzc0ExcBzEycExc0)F¯δσ=ΛδμΛσνFμν,      G¯δσ=ΛδμΛσνGμν

电流密度矢量(其中 ρ0 为固有密度):

Jμ=ρ0(ημ)ημ=(cρ,J)

电荷守恒:

μJμ=Jμxμ=0

麦克斯韦方程组可写作:

νFμν=μ0Jμ,   νGμν=0

势矢量:

Aμ=(V/c,A)Fμν=μAννAμ

Lorentz规范与对应的d'Alembert方程:

νAν=0ννAμ=μ0Jμ