电动力学汇总

⚪ 介质中麦克斯韦方程:

∇⋅D=ρf∇×E=−∂B∂t∇⋅B=0∇×H=Jf+∂D∂twhere  D≡ϵ0E+P,  H≡Bμ0−M

其中有关系:ρp=−∇⋅P,  Jm=∇×M。

介质中的电场能:ΔW=∫ΔD⋅Edτ,在线性介质中 W=∫D⋅Edτ。介质中的磁场能:W=12μ0∫B2dτ。

⚪ 真空麦克斯韦方程组:

∇⋅E=1ϵ0ρ∇×E=−∂B∂t∇⋅B=0∇×B=μ0J+ϵ0μ0∂E∂t

真空中的能量密度 ρ=12ϵ0E2+12μ0B2。能量守恒:

∂ρ∂t+∇⋅(1μ0E×B)+J⋅E=0

其中 1μ0E×B=P 为坡印廷矢量(能流密度),J⋅E 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=∂jTij−ϵ0∂∂t(E×B)iwhere  Tij=ϵ0EiEj+1μ0BiBj−ϵ02δijEkEk−12μ0δijBkBk

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(k⋅r−ωt),  B=B0ei(k⋅r−ωt)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=α−βα+βEI,  ET=2α+βEIα=cos⁡θTcos⁡θI=1−[(n1/n2)sin⁡θI]2cos⁡θIβ=μ1v1μ2v2

布儒斯特角满足 α=β。折射反射率:

R=(α−βα+β)2,  T=αβ(2α+β)2

E 垂直于入射反射面:

ER=1−αβ1+αβEI,  ET=21+αβEIR=(1−αβ1+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=−∂∂tB∇⋅B=0,     ∇×B=μσE+μϵ∂E∂t

导体中的自由电荷扩散:ρf(t)=ρ(0)e−σt/ϵρf(0)。

电磁场的传播方程:

E(z,t)=E0ei(k~z−ωt)=E0e−κzei(kz−ωt)B(z,t)=k~ωE0e−κzei(kz−ωt)=KωE0e−κzei(kz−ωt+ϕ)where  k~=k+iκ=Keiϕk=ωϵμ2(1+(σϵω)2+1)2,    κ=ωϵμ2(1+(σϵω)2−1)2K=ωϵμ1+(σϵω)2,   ϕ=arctan⁡κk

⚪ 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^)exp⁡i(kz−ωt)B=(Bxx^+Byy^+Bzz^)exp⁡i(kz−ωt)

其中 Ei,Bi 为 x,y 的函数。边界条件:

E//|boundary=0,  B⊥|boundary=0

对于非TEM解,ω≠kc,有:

Ex=i(ω/c)2−k2(k∂Ez∂x+ω∂Bz∂y)Ey=i(ω/c)2−k2(k∂Ez∂y−ω∂Bz∂x)Bx=i(ω/c)2−k2(k∂Bz∂x−ωc2∂Ez∂y)By=i(ω/c)2−k2(k∂Bz∂y+ωc2∂Ez∂x)

其中 Ez,Bz 为两独立方程的解,且满足边界条件。

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

⚪ 真空中麦克斯韦方程的通解

定义标势、矢势:

E=−∇V−∂A∂tB=∇×A

可改写麦克斯韦方程组为:

ρϵ0=−∇2V+∂∂t∇⋅Aμ0J=∇(∇⋅A+ϵ0μ0∂V∂t)+ϵ0μ0∂2A∂t2−∇2A

洛伦兹规范:∇⋅A+ϵ0μ0∂V∂t=0。上式化简为:

ρϵ0=ϵ0μ0∂2∂t2V−∇2Vμ0J=ϵ0μ0∂2∂t2A−∇2A

其通解为:

V(r,t)=14πϵ0∫d3r′⋅ρ(r′,t−ⲝ/c)ⲝA(r,t)=μ04π∫d3r′⋅J(r′,t−ⲝ/c)ⲝwhere  ⲝ=r−r′

利用它可得Jefimenko公式:

E(r,t)=14πϵ0∫d3r′⋅(ρ(r′,tr)ⲝ2ⲝ^+ρ˙(r′,tr)cⲝⲝ^−J˙(r′,tr)c2ⲝ)B(r,t)=μ04π∫d3r′(J(r′,tr)ⲝ2+J˙(r′,tr)cⲝ)×ⲝ^

⚪ 动点电荷的场:

Lienard-Wiechert势:

V(r,t)=14πϵ0qcⲝ(c−v⋅ⲝ^)A(r,t)=μ04πqcvⲝ(c−v⋅ⲝ^)

其中 v=v(tr)。由此可得:

E(r,t)=q4πϵ0ⲝ(ⲝ⋅u)3[(c2−v2)u+ⲝ×(u×a)]B(r,t)=q4πϵ0cⲝ(ⲝ⋅u)3×[(c2−v2)u+ⲝ×(u×a)]where  u=cⲝ^−v

对于匀速电荷,a=0,可将上式简化为:

E(r,t)=q4πϵ01−v2/c2(1−v2sin2⁡θ/c2)3/2R^R2B(r,t)=1cⲝ^×E=1c2v×Ewhere  R=r−r′(t)=r−vt,   θ=⟨R,v⟩

⚪ 电偶极子辐射:p=p0cos⁡ωt。在 d≪λ≪r 的情况下,(r,θ,ϕ) 处的势和场和辐射为:

V(r,t)=−p0ω4πϵ0ccos⁡θrsin⁡[ω(t−r/c)]A(r,t)=−μ0p0ω4πsin⁡[ω(t−r/c)]E(r,t)=−μ0p0ω24πsin⁡θrcos⁡[ω(t−r/c)]θ^B(r,t)=−μ0p0ω24πcsin⁡θrcos⁡[ω(t−r/c)]ϕ^⟨S(r,t)⟩=μ0p02ω432π2csin2⁡θr2r^⟨P⟩=μ0p02ω412πc

⚪ 磁偶极子辐射:m=m0cos⁡ωt在 d≪λ≪r 的情况下,(r,θ,ϕ) 处的和场和辐射为:

V(r,t)=0A(r,t)=−μ0m0ω4πcsin⁡θrsin⁡[ω(t−r/c)]ϕ^E(r,t)=μ0m0ω24πcsin⁡θrcos⁡[ω(t−r/c)]ϕ^B(r,t)=−μ0m0ω24πc2sin⁡θrcos⁡[ω(t−r/c)]θ^⟨S(r,t)⟩=μ0p02ω432π2c3sin2⁡θr2r^⟨P⟩=μ0p02ω412πc3

⚪ 任意形状的小带电区的辐射:在 r′≪c|ρ(n)/ρ˙|1/n≪r 下。

V(r,t)≈14πϵ0(Qr+r⋅p(t−r/c)r3+r⋅p˙(t−r/c)r2c)A(r,t)≈μ04πp˙(t−r/c)r   利用∫VJd3r=p˙

只留有效的(∝r−1)的项,得:

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

令 p¨//z^,则有:

E(r,t)∼μ0p¨(t−r/c)4πsin⁡θrθ^B(r,t)∼μ0p¨(t−r/c)4πcsin⁡θrϕ^S(r,t)=μ016π2c[p¨(t−r/c)]2sin2⁡θr2r^P(t)=μ06πc[p¨(t−r/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)=q4πϵ0ⲝ(ⲝ⋅u)3ⲝ×(u×a)S(r,t)=ⲝ^cμ0Erad2

取 v≪c 可得拉莫尔公式:

S(r,t)=a2sin2⁡θ16πϵ0c3ⲝ2ⲝ^P(r,t)=μ0q2a26πc

从接收处反推辐射处:

dPdΩ|emit=(1−ⲝ^⋅vc)Sⲝ2=ⲝ⋅ucⲝSⲝ2=q216π2ϵ0|ⲝ^×(u×a)|2(ⲝ^⋅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=(γ−γβ−γβγ11),    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=(c1−u2/c2,u1−u2/c2)η¯ν=Λνμημ

对应速度变换:

u¯x=ux−v(1−vux/c2)u¯y=uyγ(1−vux/c2)u¯z=uzγ(1−vux/c2)

⚪ 相对论动力学:

四动量变换:

pμ=mημ=(mc1−u2/c2,mu1−u2/c2)p¯ν=Λνμpμ

四力:

Kμ=dpμdτKμ=(dEcdτ,11−u2/c2F)

⚪ 相对论电动力学:

电磁场变换:

Ex′=Ex,  Ey′=γ(Ey−vBz),  Ez′=γ(Ez+vBy)Bx′=Bx,  By′=γ(By+vEz/c2),  Bz′=γ(Bz−vEy/c2)

电磁场张量:

Fμν=(0ExcEycEzc−Exc0Bz−By−Eyc−Bz0Bx−EzcBy−Bx0)Gμν=(0BxByBz−Bx0−EzcEyc−ByEzc0−Exc−Bz−EycExc0)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=∂Jμ∂xμ=0

麦克斯韦方程组可写作:

∂νFμν=μ0Jμ,   ∂νGμν=0

势矢量:

Aμ=(V/c,A)Fμν=∂μAν−∂νAμ

Lorentz规范与对应的d'Alembert方程:

∂νAν=0∂ν∂νAμ=−μ0Jμ