電偶極形成,如何影響遠處的磁場(或電場)? ? + - 電偶極出現
電流的瞬間變化,如何影響遠處的磁場(或電場)? ? 電荷加速
在 x=0 處位於 y-z平面上的帶正電無限大電板,在時間為 0 時突然開始以等速運動,產生電流 J。
如果沒有電磁感應項: 上視圖 J L x 運用安培定律
J x B B z t < 0 t > 0 x x 如果沒有電磁感應項: 上視圖 電流在 t = 0突然出現 磁場會瞬間充滿整個空間 B B z t < 0 t > 0 x x
加入電磁感應項後:電流瞬間產生的磁場會感應生成電場 感應電場與磁場垂直
y J × × × 安培圈選得越大,磁通量就越大, 畫如下安培圈,運用法拉弟定律 磁場會瞬間充滿整個空間 側視圖 y J × × × 磁場會瞬間充滿整個空間 安培圈選得越大,磁通量就越大, 因此越遠處的感應電場就越大,此結果不可能發生。 因此磁場不可能瞬間在所有空間一起產生。
因此磁場不可能瞬間在所有空間一起產生。 如果電偶極的出現只有近處知道 電偶極在周圍產生電場 電場變化在稍遠處產生感應磁場 磁場變化又在更遠處產生感應電場
電偶極停止震盪後 電荷與電流都已消失 在遙遠的遠方 電場與磁場依舊向前傳播 因為電場變化在稍遠處產生感應磁場 磁場變化又在更遠處產生感應電場 這種電場與磁場互相感生的機制, 是不是馬克斯威爾方程式的解?
這樣的解滿足Maxwell方程式嗎?波前平面移動速度有多大? 考慮離開電流的源頭已經有一段距離。 我們猜測電場與磁場可以互相感生,而持續傳播! 電場與磁場在一個移動的波前平面的後面不為零 電場與磁場在一個波前平面的前面為零 這樣的解滿足Maxwell方程式嗎?波前平面移動速度有多大?
在波前平面的後面,電場與磁場都是常數,與座標無關
若波前平面垂直於電場與磁場,則這個解符合高斯定律 若波前平面不垂直於電場,上下兩個高斯面電場不為零的區域會不一樣大!
要滿足法拉第定律,電磁場與速度必須滿足一個條件: 選如圖 ghef 的安培圈:
要滿足安培馬克斯威爾定律,電磁場與速度也必須滿足一個條件: 選如圖 ghef 的安培圈:
法拉弟定律 安培-馬克思威爾定律 磁電若兩者互生,以上兩個條件必須同時成立!
波前平面傳播的速度給定! 光速!!
這個電場與磁場互相感生的機制, 可以讓電磁場離開電荷與電流,獨立地在空間中傳播 因為是依靠電場及磁場的相互感應而達成, 因此傳播過程中兩者同時存在,且滿足固定條件: 方向彼此垂直,又垂直於傳播方向,大小成正比:
這個電磁場互相感生的機制,會是瞬時產生平面電流的解嗎? 測試它是否滿足包圍電流的安培圈的安培馬克斯威爾定律:
J × × 電通量不變 測試它是否滿足安培圈包含電流的安培馬克斯威爾定律: 取如下安培圈,寬未超過波前平面: 上視圖 波前平面 L x z 符合,而且給出了磁場與電流的關係! 這個電磁場互相感生的機制,就是瞬時產生平面電流的解!
這個電磁場互相感生的機制,就是瞬時產生平面電流的解。
J × × x 若取安培圈超過波前平面: 波前平面 兩項正好抵消 電通場變化正好抵消真實電流的效應 波前平面外磁場為零 正如預期,滿足安培定律
場的瞬間變化是以定速 c 在空間中自源頭向外傳播。
場的瞬間變化是以定速 c 在空間中自源頭向外傳播。 電流的瞬間變化,如何影響遠處的磁場(或電場)? 電荷加速 場的瞬間變化是以定速 c 在空間中自源頭向外傳播。
若電流在一段時間 T 後突然停止: J t 此停止也應該以定速 c 向外傳播, 因此….. cT
J 也可看成在時間 T 時,產生一反向的電流 t = J + t = J + vT t
J t 若電流在一段時間 T 後突然停止: 這段時間內的電流,產生一個電磁場的脈衝 此脈衝在電流消失後還會在遠方繼續傳播! cT 這段時間內的電流,產生一個電磁場的脈衝 此脈衝在電流消失後還會在遠方繼續傳播! 此脈衝的電場與磁場是獨立於產生它們的電流而存在的!
電場是一個方便的計算工具 電場的引進使得電力可以不再是超距力 電場是複雜而有個性的 電場可以攜帶能量 電場是獨立的,本身就是物理實體
J t cT 這是波動。方塊脈衝波!
如果帶電板上下震盪: 這可以看成一系列方塊脈衝的疊加! 電磁波 Electromagnetic Wave
電磁場的波方程式 以上的繁複步驟可以以波方程式來代替!
考慮沿 y 方向的電場與沿 z 方向的磁場 電磁場都只與座標 x 有關,可以變化! 磁場變化感應產生的電場與磁場垂直。 選擇如左圖 efgh 的封閉曲線 a
電場變化感應產生的磁場與電場垂直。 選擇如左圖的封閉曲線 a
變化的磁場與感應產生的電場必須滿足的關係 變化的電場與感應產生的磁場必須滿足的關係 變化的電場感應產生的變化的磁場,感應產生變化的電場 兩個條件都必須滿足!
對 x 作偏微分 對 t 作偏微分 第一式的右方等於第二式的左方 波方程式
電磁波的速度 光速!!
對 t 作偏微分 對 x 作偏微分 第一式的左方等於第二式的右方 波方程式
電磁波 Electromagnetic Wave
波方程式的解為: 波型以定速傳播,波型不變 可見電磁波的電場也是如此:
電流的瞬間變化,如何影響遠處的磁場(或電場)? ? 電荷加速
電磁場的變化會以光速向外傳播。 電荷加速
正弦電磁波 磁場也是同樣的函數型式! 正弦電磁波中電場與磁場方向垂直,大小隨時隨地都成正比!
正弦平面波
電磁波是依賴電磁感應,因此其電場與磁場必須互相垂直 會在空間中傳播的電磁場,方向及大小必須滿足特定關係!
在空間一固定點觀察電磁場,電磁常會呈現簡諧振盪的形式
電偶極作為電磁波波源
Hertz (1887)
在水平方向看起來如同一個平面波
放送天線就是一個電偶極振盪器
電磁波以頻率或波長為特徵 天線的大小大致與波長相當。
無線電波 Radio Wave
AM FM f ~ 535kHz to 1605kHz f ~ 88MHz to 108MHz
微波 Microwave 可穿透大氣層,太空通訊用
紅外線 Infrared 熱擾動的典型輻射 太陽的輻射能量的最大部分
可見光與紫外線 波長極小,只能以原子機制產生
紫外線可以打斷化學鍵,會被大氣層吸收
X 射線
γ 射線 12 billion light years away as bright as the whole universe
平面波 平面波有波峰與波谷,可以連接相鄰的波峰來定義一系列的波前平面(Wavefront) 波前平面會沿與波前垂直的傳播線(Ray)方向以光速傳播! 可以近似以波前平面及傳播線(Ray)來描述平面波的傳播
能量密度 能量通量 的方向正好是能量流動的方向,因此可以定義通量為一向量 Poynting vector
電磁波的強度 Intensity 對正弦波 強度與振幅平方成正比
電磁波可以是立體波!
球面波如平面波一樣有波峰與波谷,可以定義球面波前 球面波前平面也會沿與波前垂直的傳播線(Ray)方向以光速傳播!
立體波的能量會隨距離變大而稀釋,因此強度也會隨距離變大而減弱:
點波源產生的球面波
Polarization 偏振 Polarized Unpolarized
左旋光 右旋光 y 偏振 z 偏振
dextrotartaric acid (L-(+)-tartaric acid) levotartaric acid (D-(−)-tartaric acid)