Вектор Пойнтинга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Вектор Пойнтинга.svg

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, компоненты которого входят в состав компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:

(в системе СГС),
Международной системе единиц (СИ)),

где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно.

Цепь постоянного тока, состоящая из батареи (V) и резистор (R), показывающий направление вектора Пойнтинга (S, синий) в пространстве, окружающем его, наряду с полями он является производным от; электрическое поле (Е, красный) и магнитное поле (H, зеленый). В области вокруг батареи вектор Пойнтинга направлен наружу, что указывает на мощность, передаваемая из батареи в поля; в области вокруг резистора вектор направлен внутрь, что указывает мощность поля, протекающего в резистор. Через любой плоскости Р между батареей и резистор, поток Пойнтинга в направлении резистора.

В случае квазимонохроматических электромагнитных полей, справедливы следующие формулы для усреднённой по периоду комплексной плотности потока энергии[1]:

(в системе СГС),
(в системе СИ),

где E и H — векторы комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно. В этом случае чёткий физический смысл имеет только действительная часть комплексного вектора S — это вектор усреднённой за период плотности потока энергии. Физический смысл мнимой части зависит от конкретной задачи.

Модуль вектора Пойнтинга равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.

Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то нормальная составляющая вектора S непрерывна на границе двух сред.

Вектор Пойнтинга и импульс электромагнитного поля[править | править вики-текст]

В силу симметричности тензора энергии-импульса, все три компоненты вектора пространственной плотности импульса электромагнитного поля равны соответствующим компонентам вектора Пойнтинга, делённым на квадрат скорости света:

(в системе СИ)

В этом соотношении проявляется материальность электромагнитного поля.

Поэтому, чтобы узнать импульс электромагнитного поля в той или иной области пространства, достаточно проинтегрировать вектор Пойнтинга по объёму.

История[править | править вики-текст]

Общее представление о потоке энергии в пространстве впервые было введено Н. А. Умовым в 1874 году[2]. Поэтому вектор плотности потока энергии без конкретизации её физической природы называется вектором Умова. Выражения для этого вектора были получены Умовым только для упругих сред и вязких жидкостей.

В 1884 году[3] идеи Умова были разработаны Д. Г. Пойнтингом применительно к электромагнитной энергии. Потому вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Пойнтинга.

Источники[править | править вики-текст]

  1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Глава 1 Электродинамические основы теории антенн, § 1-1. Уравнения Максвелла // Антенны. — М.: Энергия, 1975. — С. 16-17. — 528 с.
  2. Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика, 1975
  3. Фейнман Р. Глава 27. Энергия поля и его импульс. § 3. Плотность энергии и поток энергии в электромагнитном поле // Лекции по физике. — Вып. 4. — М.: Мир, 1965. — Т. 6. Электродинамика. — С. 286-290. — 340 с.