6972

Энергия электромагнитного поля. Плотность энергии ЭМ поля. Плотность потока энергии ЭМ поля. Вектор Умова-Пойтинга

Доклад

Физика

Энергия электромагнитного поля. Плотность энергии ЭМ поля. Плотность потока энергии ЭМ поля. Вектор Умова-Пойтинга. Электромагнитные волны переносят энергию из одной точки пространства в другую за конечное время из-за конечности скорости распростран...

Русский

2013-01-11

31.2 KB

69 чел.

Энергия электромагнитного поля. Плотность энергии ЭМ поля. Плотность потока энергии ЭМ поля. Вектор Умова-Пойтинга.

Электромагнитные волны переносят энергию из одной точки пространства в другую за конечное время из-за конечности скорости распространения электромагнитной волны, равной, скорости света в той среде, где она распространяется.

Энергия W электромагнитной волны внутри некоторого объёма V определяется плотностью энергии w электромагнитного поля волны в соответствии с выражением:

     (1)

Рассмотрим определение плотности энергии электромагнитной волны.

Пусть среда, в которой распространяется электромагнитная волна, не является ферромагнетиком или сегнетоэлектриком, неподвижна и не обладает проводимостью (σ=0). В этом случае можно считать равными нулю токи проводимости, поскольку в соответствии с законом Ома эти токи пропорциональны проводимости: . Вследствие этого нет расхода части энергии электромагнитной волны на увеличение внутренней энергии среды распространения волны из-за выделения Джоулева тепла.

В частном случае однородных сред распространения в соответствии с материальными уравнениями  и  объёмная плотность энергии электромагнитной волны может быть рассчитана по формуле

  (2)

Или в другом виде

   (3)

Исходя из этих выражений, получим для объёмной плотности энергии плоской гармонической волны:

    (4)

Где wE - объёмная плотность энергии электрического поля, равная

(5)

wH - объёмная плотность энергии магнитного поля , равная

(6)

Используя соотношения между амплитудами и фазами векторов напряжённости электрического и магнитного полей плоской гармонической электромагнитной волны, получаем, что

     (7)

В этом случае

   (8)

Отсюда следует вывод, что энергия электромагнитной волны делится поровну между её электрической и магнитной составляющими.

Поскольку  скорость распространения электромагнитной волны, из (8) следует, что произведение плотности её энергии на скорость

    (9)

определяет физическую величину, называемую плотностью потока энергии S, переносимой плоской электромагнитной волной.

Если известна плотность потока энергии S электромагнитной волны, то из (9) можно найти плотность энергии

  (10)

Плотность потока энергии S на самом деле, является векторной величиной, величина которой определяется мгновенным значением плотности энергии ,а направление - направлением распространения волны.

Вектор плотности потока электромагнитной энергии. Теорема Умова-Пойнтинга.

Рассмотрим закон сохранения энергии при распространении электромагнитных волн. Преобразуем систему уравнений Максвелла для чего первое уравнение  умножим на E, а второе  на H и после этого вычтем из первого преобразованного уравнения второе. В результате получим:

Заметим, что

в соответствии с (8) определяет скорость изменения плотности энергии электромагнитной волны w.

Если использовать векторное тождество

 (11)

и ввести вектор

    (12)

называемый вектором Пойтинга, получаем уравнение, представляющее собой не что иное как баланс энергии, переносимой электромагнитной волной

    (13)

Рассмотрим физический смысл вектора Пойнтинга, исходя из аналогии уравнению непрерывности тока

    (14)

в котором ρ - плотность электрического заряда, а j - плотность тока.

Формальная аналогия уравнений (13) и (14) приводит к представлению, что энергия течет подобно жидкости, электрическому току, причем вектор Пойтинга играет роль вектора плотности потока энергии. Иными словами, модуль вектора S равен энергии, переносимой электромагнитным полем за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения поля, указываемому направлением вектора S.

Чтобы в этом убедиться, рассмотрим интегральную форму (13). После интегрирования этого соотношения по объёму и применения теоремы Остроградского-Гаусса получается теорема Умова - Пойнтинга:

  (15)

где V - произвольный объём среды распространения электромагнитных волн, ограниченный некоторой поверхностью F;  - внешняя нормаль к поверхности F (рис.1.); w - плотность энергии электромагнитного поля; SN - проекция вектора Пойтинга на направление нормали к поверхности F.

Рис. 1.

Соотношение (15) является одной из форм закона сохранения энергии, связанной с переносом излучения и называется теоремой Умова- Пойнтинга. Правая часть этого выражения представляет собой скорость изменения энергии в объёме распространения электромагнитного поля, а левая часть этого выражения оценивает поток энергии через поверхность, ограничивающую рассматриваемый объём. Иными словами, изменение энергии внутри объёма V происходит за счет притока/оттока электромагнитной энергии через поверхность F, ограничивающей объём.

Выведенная теорема остаётся справедливой и при учете свойств теплопроводности, а также упругости среды, но к плотности потока электромагнитной энергии следует добавить дополнительные слагаемые, ответственные за плотность потока тепловой и упругой энергии.

Общее представление о потоке энергии в пространстве было введено в физику Н. А. Умовым в 1874г. Пойнтинг получил формулу для расчета потока электромагнитной энергии на одиннадцать лет позднее Н. А. Умова, не рассматривавшего расчёты потока энергии электромагнитного поля.

Из соотношения (15) следует, что уравнение энергетического баланса, используемое для определения вектора Пойнтинга по формуле (12), будет выполнено, если к вектору Пойнтинга прибавить ротор произвольного вектора (). Отсюда следует неоднозначность определения вектора Пойнтинга из уравнения (15). Однако, в круге рассматриваемых физических задач это обстоятельство не приводит к каким-либо недоразумениям.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46090. АЛАЛИЯ КАК СИСТЕМНОЕ НЕДОРАЗВИТИЕ РЕЧИ. СОВРЕМЕННЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ФОРМ 27.5 KB
  АЛАЛИЯ КАК СИСТЕМНОЕ НЕДОРАЗВИТИЕ РЕЧИ. Алалия отсутствие или недоразвитие речи вследствие органического поражения речевых зон коры головного мозга во внутриутробном или раннем периоде развития ребёнка. Весь процесс становления речи при этом нарушении проходит в условиях патологического состояния ЦНС. Алалия представляет собой системное недоразвитие речи при котором нарушаются все компоненты речи: фонетикофонематическая сторона лексикограмматический строй.
46091. Моторная алалия. Принципы, организация и содержание коррекционно-развивающего воздействия при моторной алалии 15.5 KB
  Задачи: воспитание речевой активности;обогащение пассивного словаря и его уточнение;формирование интереса к занятиям и к игре;обучение игровым действиям и выполнению инструкций; формирование первоначального навыка общения через диалог. Задачи: обогащение активного словаря; работа над звукослоговой структурой слова; обучение фразообразованию через обучение словоизменению; устранение грубого аграмматизма. Далее направляются в школу V вида или обучение в ООШ при логопедическом сопровождении.
46092. Сенсорная алалия. Принципы, организация и содержание коррекционно-развивающего воздействия при сенсорной алалии 17 KB
  Задачи: организация речевого режима;уточнение состояния восприятия речи на слух; формирование интереса к звуковому наполнению окружающей действительности дифференциация неречевых звуков;переходим к дифференциации речевых звуков. Используется предметнопрактическая деятельность: упорядочение поля слышания→различение звуков шумов→различение интенсивных звуков→различение направления звука→различение высоты и окраски звуков. Основной принцип предметная соотнесённость установление связи звуков с предметами.После работы над звуковым рядом...
46093. АФАЗИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ АФАЗИИ. НЕЙРОЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ АФАЗИИ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ 33 KB
  Афазия полная или частичная утрата речи обусловленная локальными поражениями головного мозга учебник Волковой Афазия включает в себя: Нарушение собственно речи центральный дефект. Нарушение экспрессивной речи. При другом варианте эфферентной моторной афазии при спонтанном восстановлении речи и общении нередко формируется выраженный экспрессивный аграмматизм :больные пропускают глаголы с трудом употребляются предлоги флексии существительных выявляется так называемый аграмматизм типа телеграфного стиля который возникает...
46094. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МЕДИКО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРИ РАЗНЫХ ФОРМАХ АФАЗИИ И НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ 30 KB
  Восстановительная работа при афазии сложна и продолжительна и в её основу положен целый ряд принципов: Комплексный медикопедагогический характер воздействия. Работа над всеми сторонами речи. Восстановительная работа при акустикогностической сенсорной афазии. Работа по восстановлению фонематического восприятия содержит следующие этапы: Дифференциация слов контрастных по длине звуковому и ритмическому рисунку.
46095. АНАЛИЗ СВЕДЕНИЙ ИЗ ИСТОРИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ НАРУШЕНИЙ ПИСЬМЕННОЙ РЕЧИ. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭТИОЛОГИИ НАРУШЕНИЙ ПИСЬМЕННОЙ РЕЧИ 30.5 KB
  Впервые на нарушения чтения и письма как на самостоятельную патологию речевой деятельности указал А. В этот период патология чтения и письма рассматривалась как единое расстройство письменной речи. было распространено мнение что нарушение чтения и письма представляют собой одно из проявлений общего слабоумия и наблюдаются только у УО детей.Морган описал случай нарушения чтения и письма у 14летнего мальчика с нормальным интеллектом.
46096. ДИСЛЕКСИЯ. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АКТА ЧТЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСЛЕКСИЙ 26.5 KB
  Дислексия частичное специфическое нарушение процесса чтения обусловленное несформированностью нарушением ВПФ и проявляющегося в частых ошибках стойкого характера. Акустическая дислексия. Оптическая дислексия. Моторная дислексия.
46097. ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ФОРМ ДИСЛЕКСИИ. СОДЕРЖАНИЕ КОРРЕКЦИОННО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ 31.5 KB
  Осуществляется работа по развитию зрительнопространственных функций памяти внимания аналитикосинтетической деятельности по формированию языкового анализа и синтеза лексики и грамматического строя по устранению нарушений устной речи. Логопедическая работа по дифференциации смешиваемых звуков включает 2 этапа: предварительный работа над каждым из смешиваемых звуков; этап слуховой и произносительной дифференциации смешиваемых звуков. Устранению артикуляторноакустической дисграфии предшествует работа по коррекции нарушений...
46098. ДИСГРАФИЯ. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АКТА ПИСЬМА. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСГРАФИИ 20 KB
  ДИСГРАФИЯ. Дисграфия специфическое и стойкое нарушение процесса письма обусловленное отклонениями от нормы в деятельности тех анализаторов и психических процессов которые обеспечивают письмо.Дисграфия аграфия 1Дисфоническая паралалическая фонематическая 2Метаязыковая дисграфия в следствии нарушения языкового анализа и синтеза 3 Дисорфографическая 2. ложная дисграфия.