古典電磁學:馬克士威方程組
坡印廷向量(Poynting vector)
/ POYN-ting /
如果電磁場攜帶能量,那能量就必須能夠移動——從電池沿導線流下,或從太陽橫越空無的空間而來。坡印廷向量就是這股流動的精確記帳:它指向能量行進的方向,其大小則是穿過單位面積的功率。
在真空中,坡印廷向量為 S = E x B / mu_0,在介質中等價於 S = E x H。它的方向垂直於 E 與 B,由右手定則給出,單位是每平方公尺瓦特——一種能流。對一道平面電磁波,其中 B = E/c 且 E 垂直於 B,大小為 S = E^2/(mu_0 c) = epsilon_0 c E^2,指向傳播方向;它的時間平均就是波的強度。
坡印廷向量整理了一切電磁能量的輸送。它出人意料地顯示:驅動電阻的能量,是從周圍的場經由其側面流進來的,而不是沿著導線流下;充電中的電容器,是從兩極板之間的場徑向地把能量汲入;而一道光波攜帶著確定的強度。它的散度進入坡印廷定理,即場加物質的局域能量守恆律。有一點要注意:只有它的面積分(穿過一封閉曲面的總功率)是明確無歧義的——你可以在 S 上加任意旋度而不改變那個積分。
地球軌道處的陽光輸送約每平方公尺 1360 瓦特——這個數字就是太陽電磁場在我們這個距離處、時間平均坡印廷向量的大小。由波的電場振幅 E,它等於 epsilon_0 c E^2 對一個週期的平均。
S = E x B / mu_0 指向能量流動方向;其大小是單位面積的功率。
只有 S 穿過封閉曲面的通量才是物理上唯一的;場 S 本身只被定到差任一向量的旋度,因此靜態設置中「能量從側面流動」並不可直接觀測。S = E x B/mu_0 是標準選擇,而非數學上唯一可能的選擇。
又称
另见