[物理学与PDEs]第1章第5节 Maxwell 方程组的数学结构, 电磁场的波动性 5.3 电磁场的波动性, 自由电磁波

1. 由 Maxwell 方程组易知 $$\beex \bea \cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p^2{\bf E} }{\p t^2}-\lap{\bf E}  &=-\sex{\cfrac{1}{\ve_0}\n\rho+\mu_0\cfrac{\p {\bf j} }{\p t}},\\ \cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p^2{\bf B} }{\p t^2}-\lap{\bf B}  &=\mu_0\rot{\bf  j}. \eea \eeex$$ 于是

(1) ${\bf E} $, ${\bf B} $ 以波的形式运动变化, 而电荷及电流作为非齐次项为它们的源, 可以激发或者吸收电磁波.

(2) 在真空中电磁波的传播速度为 $c$.

(3) 电磁波可以脱离电荷与电流而独立存在, 而可考虑自由电磁波 $$\beex \bea \cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p^2{\bf E} }{\p t^2}-\lap{\bf E}  &={\bf 0} ,\\ \cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p^2{\bf B} }{\p t^2}-\lap{\bf B}  &={\bf 0}. \eea \eeex$$

 

2. 平面电磁波解: 形如 $$\bee\label{1. 5. 3:plane} {\bf E} ={\bf E} _0e^{i({\bf k} \cdot {\bf r} -\omega t+\tt)},\quad {\bf B} ={\bf B} _0e^{i({\bf k} \cdot {\bf r} -\omega t+\tt)}. \eee$$ 这里, 取实部或虚部作为电场强度、磁场强度. 由物理解释知

(1) 频率 $\nu$, 圆频率 $\omega=2\pi \nu$, 周期 $T=\cfrac{1}{\nu}=\cfrac{2\pi}{\omega}$, 波长 $\lm=\cfrac{\omega T}{k}$.

(2) 波向量 ${\bf k} $: 波传播的方向.

(3) 将 \eqref{1. 5. 3:plane} 代入 Maxwell 方程组得 $$\bex {\bf k} \cdot {\bf E} =0,\quad {\bf B} _0=\cfrac{1}{\omega}{\bf k} \times {\bf E} _0. \eex$$ 因此, 电场、磁场的振动方向都与波的传播方向垂直, 故电磁波为横波. 而称 $$\bex \Div{\bf E} =0,\quad \Div {\bf B} =0 \eex$$ 为横波条件. 满足横波条件的场叫横场. 

 

时间: 2024-08-01 16:59:49

[物理学与PDEs]第1章第5节 Maxwell 方程组的数学结构, 电磁场的波动性 5.3 电磁场的波动性, 自由电磁波的相关文章

[物理学与PDEs]第2章第3节 Navier-Stokes 方程组

1.  当流体的压力 $p$ 及温度 $T$ 改变时, 密度 $\rho$ 变化很小. 此时可近似地把流体看作是不可压的, 而 $\rho=\const$. 如此, 流体动力学方程组中的质量.动量守恒方程组可化为 $$\bee\label{2_3_NSE} \bea \Div{\bf u}&=0,\\ \cfrac{\rd{\bf u}}{\rd t}-\mu\lap{\bf u}+\n p&={\bf F}. \eea \eee$$     2.  \eqref{2_3_NSE} 的求解

[物理学与PDEs]第5章第1节 引言

1.  弹性力学是研究弹性体在荷载的作用下, 其内力 (应力) 和变形所满足的规律的学科.     2.  荷载主要有两种, 一是作用在弹性体上的机械力 (本章讨论); 二是由温度等各种能导致弹性体变形的物理量 (下一章讨论).     3.  弹性体: 在荷载作用下产生弹性形变, 而撤去荷载后变形立即消失, 无题恢复原来的状态.     4.  本构关系: 物体的变形与应力之间的某种关系.     5.  弹性理论 $$\beex \bea\mbox{弹性理论}\sedd{\ba{ll} \m

[物理学与PDEs]第4章第1节 引言

1.  本章讨论可燃流体在流动过程中同时伴随着燃烧现象的情况.     2.  燃烧有两种, 一种是爆燃 (deflagration): 火焰低速向前传播, 此时流体微元通常是未燃气体.已燃气体的混合物; 一种是爆炸 (detonation): 火焰以 $\geq 2000\ m/s$ 的速度向前传播, 此时, Chapman (1899) 与 Jouquet (1905) 认为化学反应过程是瞬时发生并完成的, 即有一波前 (wavefront) 进入未燃气体, 并瞬时地将它变成已燃气体.  

[物理学与PDEs]第5章第6节 弹性静力学方程组的定解问题

5. 6 弹性静力学方程组的定解问题           5. 6. 1 线性弹性静力学方程组         1.  线性弹性静力学方程组 $$\bee\label{5_6_1_le} -\sum_{j,k,l}a_{ijkl}\cfrac{\p ^2u_k}{\p x_j\p x_l}=\rho_0b_i,\quad i=1,2,3.  \eee$$     2.  (Korn 不等式) 设 $\Omega\subset{\bf R}^3$ 为有界区域, 则 $$\bex \exists\

[物理学与PDEs]第1章第7节 媒质中的 Maxwell 方程组 7.1 媒质中的 Maxwell 方程组

1.媒质的极化 (1) 束缚电荷: 被束缚在原来位置上的电荷. (2) 在电磁场中, 束缚电荷会有一微小的运动, 而产生电偶极矩. 此即称为媒质的极化. (3) 设电极化强度 (单位体积的电偶极矩) 为 ${\bf P}$, 则 $$\bex \rho'=-\Div {\bf P}, \eex$$ 其中 $\rho'$ 为束缚电荷体密度. 再由 Gauss 定理, $$\bex \Div{\bf E}=\cfrac{1}{\ve_0}(\rho_f+\rho'), \eex$$ 其中 $\rho

[物理学与PDEs]第5章第4节 本构方程 - 应力与变形之间的关系

5. 4 本构方程 - 应力与变形之间的关系   5.4.1. 本构关系的一般形式   1. 若 Cauchy 应力张量 ${\bf T}$ 满足 $$\bex {\bf T}({\bf y})=\hat{\bf T}({\bf x},{\bf F}({\bf x})), \eex$$ 则称材料是 (Cauchy) 弹性的; 这里 $\hat {\bf T}$ 称为响应函数. 若再 ${\bf T}({\bf y})=\hat{\bf T}({\bf F}({\bf x}))$, 则称弹性体是齐

[物理学与PDEs]第5章第2节 变形的描述, 应变张量 2.2 Cauchy - Green 应变张量

1.  引理 (极分解): 设 $|{\bf F}|\neq 0$, 则存在正交阵 ${\bf R}$ 及对称正定阵 ${\bf U},{\bf V}$ 使得 $$\bex {\bf F}={\bf R}{\bf U}={\bf V}{\bf R}. \eex$$ 此称为 ${\bf F}$ 的极分解.   证明:   (1)  先证明存在正交阵 ${\bf P},{\bf Q}$ 及对角阵 ${\bf D}$ 使得 $$\bex {\bf F}={\bf P}{\bf D}{\bf Q}. \

[物理学与PDEs]第2章第1节 理想流体力学方程组 1.2 理想流体力学方程组

1.  质量守恒定律: 连续性方程 $$\bee\label{2_1_2_zl} \cfrac{\p\rho}{\p t}+\Div(\rho{\bf u})=0.  \eee$$   2.  动量守恒定律: $$\bee\label{2_1_2_dl} \cfrac{\p}{\p t}(\rho{\bf u})+\Div(\rho{\bf u}\otimes {\bf u}+p{\bf I})=\rho{\bf F}. \eee$$ 用 \eqref{2_1_2_zl} 可化简 \eqref{

[物理学与PDEs]第5章第2节 变形的描述, 应变张量 2.3 位移梯度张量与无穷小应变张量

1.  位移向量 $$\bex {\bf u}={\bf y}-{\bf x}. \eex$$     2.  位移梯度张量 $$\bex \n_x{\bf u}={\bf F}-{\bf I}. \eex$$     3.  ${\bf C}$ 的表示: $$\beex \bea {\bf C}&={\bf F}^T{\bf C}=[{\bf I}+(\n{\bf u})^T]\cdot [{\bf I}+\n {\bf u}]\\ &={\bf I}+\n{\bf u}+(\n{\bf