当前课程知识点:电动力学(上) > 第一章 电磁现象的普遍规律 > 1.4电磁相互作用能量动量的转化与守恒 > 场和电荷系统的能量转化与守恒定律的一般形式
好 大家好
我们现在开始介绍
电动力学第一章的最后一部分
电磁相互作用的
能动量转化与守恒
这一章实际上是
把我们前面几节搭建起来的
麦克斯韦方程组
做一些更抽象的讨论
能量动量是物理学里
一组非常基本的物理量
当我们发现了一个新的物理体系
就像我们现在发现了电场和磁场
一些材料物体带电
这么一个体系以后
很自然的我们就会问
这样的体系的能量动量
是不是守恒的
因为我们在前面谈
毕奥萨伐尔定律的时候就提到过
由两个电流元组成的这个体系
如果只考虑两个电流元的情况下
这个体系的总动量
是不守恒的
所以对一个体系来说
能动量守恒不守恒
一开始并不是完全知道的
虽然物理学发展到今天
我们都相信这个能动量是守恒的
但是对任何一个新发现的体系
能动量守恒
确实是还需要一开始去做验证的
我们在这一部分谈这么几个问题
首先谈对电磁场
这样一个体系
能动量守恒如果是要成立的话
应该有一个什么样的表达形式
怎么样的一个公式
或者一种表述
就说明能动量是守恒的
然后我们分别的讨论
从麦克斯韦方程组出发
和洛伦兹力公式出发
把能量转化守恒定律推出来
然后第三部分
再从麦克斯韦方程组
和洛伦兹力公式出发
把动量转化守恒定律推出来
然后有两部分是
作为能量转化守恒定律的应用
谈一个电磁能量传输的例子
在作为动量转化守恒定律的
一个应用
谈一下张量力和辐射压力
在这一部分主要谈的
是能量和动量
实际上在力学里面
一个体系还有角动量
原则上只要把动量守恒推出来了
角动量守恒可以进一步的推
推导出来
只不过我们在这个课里
就不去做那个推导
我们取代它用一个特殊的例子
谈一个有磁单极
和点电荷的这样的系统
看这个体系的角动量的守恒
那么我们前面也提到过
有磁单极的体系
往往出现一些很奇怪的性质
在这个里面
我们一方面是验证
角动量是守恒的
对这么一个电磁体系
再一个也给出
所谓的电荷量子化
好 下面先讨论
这个能动量转化守恒定律的
一般的形式
我们现在假定我们要讨论
这个体系的能量动量
由于我们现在描述的是电磁场
场是弥漫在全空间的
如果你认为
场是具有能量和动量的话
那么它所代表的能动量
也就是弥漫在全空间的
那么对弥漫在全空间的
能量和动量来说
我们就用一些密度
或流密度来去描述
比如说对场的能量密度
我们就用一个 也是一个场
但是它是能量的场
用这个W来去描述
在某一个时刻 在空间某一点
单位体积里面场所带的能量
刚才说的场的能量密度
还可以讨论动量密度
就是在单位时间
在这个点单位体积里面的动量
就是场的动量密度
动量本身是个矢量
所以动量密度也是一个矢量
那么回到说能量可以流动
就像电流密度一样
我们把流动的方向
用一个矢量的方向来去代表
单位时间通过垂直于
这个方向的这个平面
单位平面的能量叫做能流密度
所以这个能流密度的大小
是单位时间通过垂直
单位表面的这个能量
方向就是这个能量流动的方向
那么还有动量流密度
就是单位时间
流过这个动量流的那个方向的
单位表面的动量
动量流密度就更加复杂
因为动量本身是一个矢量
然后动量的流动又是一个矢量
因为动量的流动是一个方向的
它不一定和动量的方向是一样的
所以这是由两个矢量
来描述的一个量 是二阶张量
所以这是一个二阶张量
所以描述场的能量动量的话
我们至少要有这四个量
能量密度 动量密度
能流密度 动量流密度
然后就是说对电磁场这个体系
假定能量转化和守恒定律
是成立的话
那么它的这些量之间
应该有个什么关系
如果是动量转化守恒定律成立
它们这些量之间有什么关系
这时候我们还不知道
它成立不成立
甚至我们还不知道
它的能量密度具体是啥
动量密度具体是啥
能流密度具体是啥
动量流密度具体是啥
所谓它具体是啥是什么意思
是它和我们已知道的
前面给出来的电场强度
磁感应强度那些已知
已经定义了的物理量是什么联系
还不知道呢
但是我们先可以泛泛的来去讨论
假定这个体系能量守恒定律
动量守恒定律是成立的话
它们应该有一个什么关系
那么首先看能量的转化守恒定律
注意在这里边
我们不止谈的是能量守恒定律
还一个转化
这和电荷守恒不一样的地方
电荷守恒定律只是守恒定律
这里是转化和守恒定律
没有电荷的
转化和守恒定律
只有电荷的守恒定律
这个能量不止是守恒
还有一个转化
就是说这个能量
除了它自己在这里边来回跑
它还可以变成其他形式的能量
这个从文字上说就是这么来去说
作为一块体积里面的
电磁场的能量
如果说这个电磁场的能量
是跑出去了
就是里边的要减少了
就是跑出去了 这是守恒
或者是增加了就是流进来了
那么现在说除了这是守恒
还有一部分转化
就是说单位时间
通过表面流进这个体积的能量
等于单位时间
这个场对电荷所做的功
还有这个里面的电磁能量的增加
这说的是什么意思
就是假定有一部分外面的能量
从这个体积表面流进来了
流进来的这部分能量
如果只是这个电磁能量守恒
这个流进来的能量
就是里面的场能量增加了
但是这个流进来的是电磁能量
流进来的电磁能量转化
它也可能不使里面的电磁场能量增加
用于去转化成其他的形式能量
通过做功的方式变成机械能
所以在这里面守恒的部分
就是流进来的能量
就是电磁场能量增加
还有那个转化的部分
就是对里面的电荷做功
就变成那个带电体的运动
变成机械能
所以说白了是这个能量
进来的能量
一部分电磁能量增加
一部分转化成其他的能量
如果是这个成立的话
这就是电磁场的能量的
守恒和转化定律成立
那么这个是文字来去说
把它来变成公式
什么叫单位时间流入
这个体积V的能量
这是能流密度
在这个体积的表面
小面元点乘上这个能流密度
就是单位时间
从这个小面元流出来的
因为面元是往外的
加个负号就流进来的这小面元
通过小面元流进这个体积的
那么整个这个
全部这个体积的表面全加起来
就是这句话 就是流进来的
单位时间流进来
这个体积V的这个能量
然后要一部分等于
这个里面的电磁能量的增加
这个是体积里面的电磁能量密度
乘上体积元
就是这小体积元里面的电磁能量
然后做一个变化就是它的增加
d/dt 这就是单位时间的增加
这一项就是里面场的
电磁场的能量增加
这个是什么呢
这是洛伦兹力的力密度
乘上体积元就是洛伦兹力
再乘上这个 点乘上速度
就是功率
就是单位时间做的功
就是转化成其他机械形式的能量
这就是这里面转化的部分的能量
这就是电磁场里面的增加
所以如果是能量的
转化守恒定律成立
这是转化 这是守恒
就是这个式子就成立
那么我们在这里面什么知道呢
这些带电体的速度
运动速度是知道
受的洛伦兹力也是知道
这个电磁能量的能量密度
我们只知道它的物理含义
但是不知道它具体表达式是什么
电磁能流密度
我们只也知道它的物理含义
不知道它的表达式
所谓它的表达式
就是它用电场磁场是怎么表达的
是不知道的
就是对我们的电磁场系统
如果有这个关系式
能量转化守恒定律就成立
这个式子可以用微分的来去写
因为这是一个封闭体积的表面
积分可以变成是
体积里面的被积函数的
全散度的体积积分
然后这都是体积积分
把这个体积积分拿出来
然后大家都有体积积分都拿掉
剩下的里面的
那个体积可以缩到一个点无穷小
把体积元拿掉就是这个式子
所以这个微分方程的形式
就是这个样子
这是相当于是积分方程的形式
这能量转化守恒定律
有积分表达形式 微分表达形式
好了 这个如果是成立
就要么有它 要么有它
这是能量转化守恒定律
然后说动量的
转化守恒定律也是一样的
就是单位时间
对一个封闭的体积
流进来的电磁场的动量
那就用于里面的场的动量的增加
还有就是转化成机械动量
转化成机械动量是什么呢
转化成机械动量实际上就是受力
受力是什么
按牛顿第二定律
受的力是等于动量的变化率
所以这个给电荷的作用力
它就变成是单位时间
给电荷的那个机械动量转化成
所以这个动量转化守恒定律
用式子
这个点乘上动量流密度
就是这个负号
是表示单位时间
通过这个小表面
流进这个体积的电磁场的动量
那么这个这是力密度
乘上这个体积元就是力
这是单位时间的动量
转化成机械动量的那部分
这个是动量密度乘上体积元
就是小体积元里面的
电磁场的动量
然后做一个变化除上这个dt
就是单位时间这个体积里面的
电磁场的动量的增加
所以单位时间流进来的场的动量
等于单位时间转化成的机械动量
再加上单位时间里面的场的
里面的场的动量增加
动量转化守恒定律
同样这个曲面积分
可以换成是体积分
里面一个全散度
然后体积积分都拿掉就是这个
动量转化守恒定律的
微分形式就是这样
积分形式是这个
所以这是一般形式就是这个
虽然我们还不知道
这个是什么样
这个具体的表达式是什么
但是假定它成立就有这个式子
我们把刚才的能量转化守恒定律
动量转化守恒定律
和电荷守恒比一下
电荷守恒是这个式子
这个微分方程的形式
这个能量转化守恒是这个形式
动量转化守恒定律是这样
这里面涉及到什么量呢
一个是这个守恒量
守恒量就是这个电荷
这边是电荷
这是能量 这是动量
然后在空间描述这个量
就是电荷密度
这是能量密度 这是动量密度
然后它的流密度
就是它的运动 这个荷在运动
这就是电流密度
这是能流密度
这是动量流密度
然后守恒荷 刚才这写的
它和密度的关系
就是一个体积积分就是了
那么守恒定律
你看都是有流密度的散度
加上密度的时间变化率
但是这边多了一个转化
这是转化成机械能的部分
这是转化成机械动量的部分
多加了一个这个
电荷没有转化
电荷就是自己在这里
第一部分就说完了
一般的形式
-概论
--video
-四个问题
--四个问题
-教学大纲
--Video
-绪论作业
--绪论作业
-0.1 矢量分析
--矢量的直观定义
--矢量间的点乘
--矢量间的叉乘
--三角形的边与角
--空间转动与矢量
-0.2 场论
--场的定义
--场的微分性质
--梯度的线积分
--散度的体积分
--旋度的面积分
-0.3 δ函数
--一维空间δ函数
--三维空间δ函数
-0.4 曲线坐标
--柱坐标
--球坐标
-0.5 亥姆霍兹定理
--亥姆霍兹定理
-第零章 数学准备--0.6第零章作业
-1.1 电磁相互作用的源和场与真空中的基本实验定律
--电磁相互作用的源
--电磁相互作用的场
-1.2 真空中电磁相互作用的场方程
-1.3介质中电磁相互作用的场方程
--物质的电磁性质
--电磁场的边值关系
-1.4电磁相互作用能量动量的转化与守恒
--动量转化与守恒
--电磁能量传输
--张量力与辐射压力
-第一章 电磁现象的普遍规律--1.5第一章作业
-2.1 静电势及其微分方程
--非极值定理
-2.2 唯一性定理及其应用
--静电唯一性定理
-2.3 拉普拉斯方程-分离变量法
--齐次与非齐次方程
--球坐标,柱坐标
--球坐标例1
--柱坐标例1
--球坐标例2
-2.4 镜像法
--基本思想
--例1、2、3
--例4
--例5
-2.5 保角变换
--二维场论
--二维拉普拉斯方程
--例子
-2.6 格林函数
--一般情况
--边值问题
--例子
-2.7 静电场的能量
--静电场的能量
--相互作用能
--汤姆森定理
-2.8 稳恒电流的电场
--恒定电流的电场
--例1
--例2
-2.9 稳恒电流的磁场
--矢量势及其方程
-2.10 磁场问题的一般解法
--无传导电流无剩磁
--无传导电流有剩磁
--有传导电流
--磁镜像法
-2.11 多极展开
--一般讨论
-第二章 静电场和稳恒电流的电磁场--2.12第二章作业