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偶然翻出的电动力学笔记

已有 4793 次阅读 2012-12-14 19:20 |系统分类:教学心得|关键词:学者| style, color, 电动力学, 255

以前的总结,随便贴点,可能对某些同学初学理解有点用,不好写
公式,就贴文字,年代久远理解偏漏在所难免

物理世界的尺度:宇观-宏观-微观 + 介观

宏观物理世界的主导物质形态:场(电场,磁场,电磁波)与媒介(质点系,电荷系,凝聚态)

电磁波源于动态电场与磁场的相互作用,主要由Maxwell 方程组的旋度方程描述,涉及场强E/H (线耦合), 场通量密度 D/B(面耦合), 流密度 J/Jm(体耦合)六类物理变量(宏观Jm并非由磁荷运动形成,故并非基本量而散度方程会引入另一基本体耦合量:电荷体密度)。线性媒介的电磁性质由其线性响应参数描述,即介电系数与磁导系数(可逆响应),电导率与磁导率(不可逆响应)。真空宏观定义为一种电导率与磁导率为零 (无损耗) 而介电与磁导系数不为零(有可逆/周期响应)的特殊媒介。由物质方程可将变量D, H, J, Jm 约化为基本变量 E, B的求解与响应参数的确定 (媒介体性质作为一种约束条件将六类变量通过物质方程约化为两类基本变量,再通过特殊问题所涉及的媒介边界性质具体求解这两类变量)。四类实值响应参数可等效化为两类复值参数,如复介电系数与复磁导系数,其实部描述媒介在电磁场中的极化和磁化性质(可逆性),虚部描述电磁场在媒介中的电损耗与磁损耗程度(不可逆性)。

电磁波在媒介中的色散与各向异性现象说明响应参数一般应是波频与波矢的函数,真空无色散且为各向同性。实际问题中可通过实验或仿真确定响应参数,并用其求解问题及验证相关模型。常见的色散模型包括电导体模型,Lorentz 模型(半导体与绝缘体的阻尼谐振子近似),Drude 模型(金属自由电子气近似),固体等离子体模型等。

电磁波在不同媒介中传播涉及界面的边值关系,即界面两侧场与界面电荷电流的关系,由边界场积分方程给出。基本结论是界面电场通量密度D法向分量差值为面自由电荷面密度,界面磁场强度H切向分量差值为面传导电流线密度,界面电场强度E切向分量与磁场通量密度B法向分量差值为零。这从无旋静电场与无源静磁场的物理图像也可看出。

定态波动方程(Helmholtz)给出最基本的时谐电磁波解(单色波),如平面波,球面波,导波等。实际问题涉及的基本模型之一为平面波在由媒介一射向媒介二在其界面的反射与折射,更适合的响应参数是波阻抗Z与折射率n,其积与商分别给出复介电系数与复磁导系数。边值关系在这类模型中给出基本的反射与折射规律

(1)理想绝缘介质(PIM):E切向连续(与场叠加原理)导出入反折射波的相位关系(Snell law与全反射);PIM无面传导电流,故H切向连续(E正交入射面)与E切向连续(E平行入射面)导出两类偏振波的入反折振幅关系(Fresnel 公式与完全偏振反射/Brewster角)。全反射时反射波与入射波振幅相同(无损耗),相位差由入射角与相对折射率决定。物理过程是入射波在界面上变为沿界面传播的衰逝折射波(平均能流密度只有沿界面方向不为零,瞬时能流密度沿垂直界面向介质二方向指数衰减,深度与入反相位差有关),能量暂时储存在折射波中沿界面传播一段距离后又全部反射入介质一中转化为反射波的能量。PIM中折射波的传播不引起介质中的热损耗,故全反射中介质二实际提供了一种弹性势能的载体,波的入射类似于一种弹性碰撞。

(2)电导体(EC):由于电导率不为零,导体内电磁波将引起传导电流并将能量转化为不可逆的热能,故导体可看作有损耗的PIM,其中实介电系数变为复介电系数的实部,而其虚部为电导率与波频之比。将PIM内电磁波解的实波矢换为导体内的复波矢(k平方为频率平方与介电系数与磁导系数之积)即可得导体内的电磁波解,其振幅沿界面垂直方向指数衰减,穿透深度并非电导率或复介电系数虚部的单调函数,在良导体情况(电导率很大或复介电系数虚部远大与实部即传导电流远大于位移电流)才近似反比于电导率与波频的平方根,导致理想电导体模型(PEC)与趋肤效应(高频波沿导体表面传播)。边值关系给出反射系数R(反射与入射波的能流比),PEC电导率趋向无穷,反射系数为1。故一般导体提供了一种非弹性势能的载体,电磁波入射类似力学的非弹性碰撞,但入射在PEC上却类似于无损耗的刚性碰撞。


                                                                                                                                                   狂狷书馆   燕处


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