[物理学与PDEs]第1章第6节 电磁场的标势与矢势 6.3 例 --- 电偶极辐射

简介: 1. 偶极子: 相距为 l, 带电量分别为 ±q 的一对电荷组成的系统. 称 \bexm=ql\eex
为电偶极矩, 其中 lqq 的向量.

1. 偶极子: 相距为 l, 带电量分别为 ±q 的一对电荷组成的系统. 称 \bexm=ql\eex

为电偶极矩, 其中 lqq 的向量.

 

2. 取 lz 轴, 考虑偶极子的振动: \bexl(t)=l0eiωte3.\eex

(1) j=ρv=ρ\rdl\rdt=iωl0ρeiωte3.

(2) \beex \bea &\quad \cfrac{1}{c^2} \cfrac{\p^2{\bf A}}{\p t^2}-\lap{\bf A}=\mu{\bf j}\\ &\ra {\bf A}(t,P) =\cfrac{\mu_0}{4\pi}\int_{r_{P'P}\leq ct} \cfrac{{\bf j}\sex{t-\cfrac{r_{P'P}}{c},P'}}{r_{P'P}}\rd V_{P'}\\ &\quad=-\cfrac{i\mu_0\omega l_0}{4\pi r}e^{-i\omega t+i\frac{\omega r}{c}}\int_{r_{P'P}\leq ct}\rho \rd V_{P'} {\bf e}_3\\ &\quad=-i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}{\bf m}(t)\quad\sex{r\gg l}\\ &\quad\sex{{\bf m}(t)=q{\bf l}(t),\ k=\cfrac{\omega}{c}=\cfrac{2\pi }{cT}:\mbox{ 波数}}. \eea \eeex

(3) \beex \bea &\quad \cfrac{\p}{\p z}\sex{-i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}m(t)}+\cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p \phi}{\p t}=0\quad\sex{Lorentz\mbox{ 条件}}\\ &\ra \cfrac{\p}{\p t} \sez{ \cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t)+\phi }=0\\ &\ra \phi=-\cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t)+\phi_0(x,y,z)\\ &\ra \phi=-\cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t). \eea \eeex

(4) \beex \bea {\bf B}&=\rot {\bf A}\\ &=\cfrac{\mu_0ck^2}{4\pi r} e^{ikr}\sex{1-\cfrac{1}{ikr}}{\bf n}\times {\bf m}\quad\sex{{\bf n}=\cfrac{{\bf r}}{r}}. \eea \eeex

(5) \beex \bea -\cfrac{\p {\bf A}}{\p t} &=i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}\sez{-i\omega {\bf m}}\\ &=\cfrac{\mu_0\omega^2}{4\pi r}e^{ikr}{\bf m}\\ &=\cfrac{k^2}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}{\bf m},\\ -\n \phi&=\cfrac{1}{4\pi \ve_0}\n \cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{r}e^{ikr}}m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \n \sex{-\cfrac{z}{r^3}e^{ikr}+\cfrac{ikz}{r^2}e^{ikr}}m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \n\sez{ \sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}z }m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \left[ \sex{\cfrac{3}{r^4}{\bf n} -\cfrac{2ik}{r^3}{\bf n}}e^{ikr}zm +ik\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf n} z m\right. \\ &\quad\quad\left. +\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}\n z m \right]\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0}\sez{ r({\bf n}\cdot{\bf m}) e^{ikr}{\bf n} \sex{\cfrac{3}{r^4}-\cfrac{3ik}{r^3}-\cfrac{k^2}{r^2} }+\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf m} }\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \sez{ ({\bf n}\cdot{\bf m})e^{ikr} {\bf n}\sex{\cfrac{3}{r^3}-\cfrac{3ik}{r^2}-\cfrac{k^2}{r}} +\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf m} }\\ &=-\cfrac{k^2}{4\pi \ve_0r}({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n} +\cfrac{1}{4\pi\ve_0r} \sex{\cfrac{1}{r^2}-\cfrac{ik}{r}} e^{ikr}\sez{3({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n}-{\bf m}},\\ {\bf E}&=-\n\phi-\cfrac{\p {\bf A}}{\p t}\\ &=\cfrac{k^2}{4\pi\ve_0r}e^{ikr}({\bf n}\times{\bf m})\times {\bf n} +\cfrac{1}{4\pi\ve_0r} \sex{\cfrac{1}{r^2}-\cfrac{ik}{r}} e^{ikr}\sez{3({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n}-{\bf m}}. \eea \eeex

(5) 当 r\lm=cT=2πcω=2πk 时, \bexB=μ0ck4πr2n×m,E=14πr3[3(nm)nm].\eex

BE, 称为静场区 (电场为主).

(6) 当 r\lm 时, \bexB=μ0ck24πreikrn×m,E=cB×n.\eex

而为波动场区 (辐射区). 此时, \bexE=cB=μ0ω2m04πrsin\sevcos\sezω\sextrc.\eex
于是电磁场是以电偶极振子为中心的球面波, 相位为 ω\sextrc 相同的各点的场强不一定相同, 还与 有关. 赤道上, 场强最大.

(7) 电磁能量密度 \bex12\sex\ve0E2+1μ0B2=μ0k2ω2m2016πr2sin2cos2\sezω\sextrc;\eex

能量流密度向量 S 方向与 r 相同, 大小为 \bexS=cμ0k2ω2m2016π2r2sin2cos2\sezω\sextrc;\eex
单位时间内通过以振子为球心, r 为半径的球面的总能量为 \bexP(t)=π0S2πrsinr\rd=16πcμ0k2ω2m20cos2\sezω\sextrc;\eex
单位时间内辐射的平均能量为 \bexˉP=1TT0P(t)\rdt=112μ0ω4m20,\eex
其中 T=2πω

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