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能量、動量,與真實問題

場儲存能量與動量,並把它們搬來搬去。掌握坡印廷定理與馬克士威應力張量,做兩個發人深省的範例,並看清這套理論接下來往哪裡走。

場能量住在哪裡,又如何流動

坡印廷向量 S = (1/μ₀) E×B 指向電磁能量穿出某曲面而流動的方向。

場本身儲存能量,具有 能量密度 u,而且會運輸能量,其通量由 坡印廷向量 \mathbf{S} 給出。坡印廷定理不過就是局域能量守恆:在任一點,儲存的場能量下降的速率,加上淨流出的能量,等於場對電荷作功的速率。

u = \dfrac{\varepsilon_0}{2}E^2 + \dfrac{1}{2\mu_0}B^2, \qquad \mathbf{S} = \dfrac{1}{\mu_0}\mathbf{E}\times\mathbf{B}

電磁能量密度(電加磁)與坡印廷向量,即能量通量。

\dfrac{\partial u}{\partial t} + \nabla\cdot\mathbf{S} = -\,\mathbf{J}\cdot\mathbf{E}

坡印廷定理——能量的連續方程式,把場與對電荷所作的功耦合起來。

範例:能量從導線側面流進來

取一根半徑 a、長度 L 的直圓柱導線,載有穩定電流 I,電阻為 R,兩端電壓 V=IR。我們來求流入其表面的坡印廷通量,看看焦耳熱究竟從哪裡來。

第一步。 沿表面的電場平行於導線,E_\parallel = V/L = IR/L第二步。 磁場環繞導線;在表面 B = \mu_0 I/(2\pi a)第三步。 \mathbf{S}=\tfrac{1}{\mu_0}\mathbf{E}\times\mathbf{B} 徑向指向「內側」,大小為 S = \tfrac{1}{\mu_0}\cdot\tfrac{IR}{L}\cdot\tfrac{\mu_0 I}{2\pi a} = \dfrac{I^2 R}{2\pi a L}第四步。 乘上側面積 2\pi a L:流入的總功率為 S\cdot 2\pi a L = I^2 R

場也承載動量

若場承載能量,相對論便堅持它也承載動量。單位體積儲存的動量為 \mathbf{g}=\varepsilon_0\,\mathbf{E}\times\mathbf{B}=\mathbf{S}/c^2。這股動量的流動——場中的應力——由 馬克士威應力張量 T_{ij} 記帳,其散度給出作用在電荷上、單位體積的電磁力。

T_{ij} = \varepsilon_0\Big(E_i E_j - \tfrac12\delta_{ij}E^2\Big) + \dfrac{1}{\mu_0}\Big(B_i B_j - \tfrac12\delta_{ij}B^2\Big)

馬克士威應力張量:場動量第 i 分量穿過朝 j 方向曲面的通量。

\mathbf{g} = \varepsilon_0\,\mathbf{E}\times\mathbf{B} = \dfrac{\mathbf{S}}{c^2}

電磁動量密度——場本身儲存動量,透過因子 1/c² 與能量通量相繫。

範例:陽光的推力

因為攜帶動量,光會施加壓力。強度為 I(單位面積功率)的光束若被完全吸收,施加的輻射壓為 P=I/c;若被完全反射,動量反向,壓力加倍為 $2I/c$。

P_{\text{abs}} = \dfrac{I}{c}, \qquad P_{\text{refl}} = \dfrac{2I}{c}

完全吸收與完全反射的輻射壓——場動量的直接結果。

代入數字。大氣層外的陽光強度 I\approx 1361\ \mathrm{W/m^2}(太陽常數)。若被吸收,P \approx 1361/(3\times10^8) \approx 4.5\times10^{-6}\ \mathrm{Pa}——約為大氣壓的百億分之一。微小,卻千真萬確:這正是太陽帆背後的物理,也是太陽系中小天體軌道上一項真實的微擾。

這往哪裡走

你現在已把古典電磁學握成一套完整的場論。往前有三條路。第一,協變之路:把 \mathbf{E}\mathbf{B} 打包成單一個 場張量 F^{\mu\nu},使勞侖茲不變性變得顯然——「電磁輻射與協變電動力學」章節。第二,輻射:對加速電荷解 \Box A^\mu=\mu_0 J^\mu,看它們發光。第三,量子化:把場提升為算符,其激發便成為 光子——量子電動力學的起點。