运动电荷的电磁场(一)

时间:2022-05-13 06:36:12

经典电动力学的一个重要推论:只要电荷有加速度,就会产生辐射。下面进行相关的推导。

李纳-维谢尔势

设电荷的运动

r=re(t)

电磁标势
φ=14πε0ρ(r,t)|rr|dτ

其中 t=t|rr|c, c(tt)=|rr|

把运动点电荷看作是分布密度为 δ 函数的源

ρ(r,t)=eδ(rre(t))

代入上式,得到
φ=14πε0eδ(rre(t|rr|c)))|rr|dτ

作一个代换
r′′=rre(t)


Jdτ=dτ′′J=x′′ixi=r′′

r′′=rre(t)=I⃗ vet\?)=I⃗ ve(t|rr|c)

t 不变条件下的偏微分,所以 t=0 ,再设 R=rr ,得
r′′=I⃗ ve(t|rr|c)=I⃗ vecR=I⃗ vecRR

所以
J=r′′=1vRRc

所以推迟势用 r′′ 作为变量得到
φ=14πε0eδ(r′′)R(1vRcR)dτ′′=14πε0eR(1vRcR)

这就是点电荷在 t 时刻 r 处产生的标势,只取决于 t 时刻的量。

对矢势可以作同样处理,得到

A=μ04πevR(1vRcR)=1c2φv

这一组电磁势称为李纳-维谢尔势(Lienard-Wiechert Potential ),特点是

  • 所有和源有关的项只和 t 时刻的物理量有关,这正是推迟效应的体现。
  • 分子多了一项 (1vRcR) ,等效于源的电量变大 vR>0 或变小 vR<0 ,这是多普勒效应的体现。

运动电荷的标势和矢势

φ=14πε0eR(1vRcR)A=1c2φv

s=RRvcR=rr

将方程改写为
φ=14πε0esA=1c2φv

电磁场方程
E=φAtB=×A

在代入计算之前,先解决微分变量的问题。注意到 E B 的表达式中,所有关于源的微分计算都是对 t 时刻的,而 φ A 的表达式中所有关于源的物理量都是 t 时刻的,所以需要做一些处理。

t,r,v r,t 的依赖关系:

t=t(r,t)r=re(t(r,t))v=dre(t)dt=v(t(r,t))

其中 t=t|rr|c , re(t) 是已知函数(运动方程),但是 t=t|rr|c 不是显式,而是一个隐函数。
对形如 f(r,t(r,t)) 的复合函数,对 t 求偏微分,有
t=ttt

r 求偏微分,得
=+(t)t(\?)

其中 是保持 t 不变对 r 的偏微分。


在方程 t=t|rr|c 两边对 t 求偏微分,得

tt=11cRt=11cttRt

其中 Rt 是保持 r 不变对 t 求偏导,如图所示
运动电荷的电磁场(一)
Rt=RvR

所以根据
tt=11cttRt


tt=11RvcR=Rs

Rt=ttRt=Rvs


在方程 t=t|rr|c 两边保持 t 不变,对 r 求偏微分,得

t=t|rr|c=0(t)Rc=1c(R+(t)Rt)

其中 R=RR,Rt=RvR ,代入,得
t=RcsR=Rs

至此,已经得到了 tt,Rt,t,R 几个量.

运动电荷产生的电磁场

将Lienard-Wiechert势

φ=14πε0esA=1c2φv

代入电场方程
E=φAt


E=e4πε0(1s+1c2tvs)=e4πε01s2(s+1c2(vtsstv))

其中 vt=vttt=vtRs=aRs
所以
E=e4πε01s2(s+aRc21c2stv)

s=s+(t)st=s+(t)st

利用前面的结论
s=RRvc(\?R=δij?)st=(RRvc)vRac

所以
s=st=

E=e4πε01s3{(1v2c2)(RRcv)+1c2R×[(RRcv)×a]}

得,
B=1cRR×E

这就是运动点电荷的电磁场方程,略复杂。


本文主要参考俞允强《电动力学简明教程》