電磁波方程式

電磁波方程式は、媒質または真空中における電磁波の伝播を記述する2階偏微分方程式です。これは波動方程式の3次元形式です。この方程式の同次形式は、電場Eまたは磁場Bを用いて書かれ、以下の形をとります。

どこ

は透磁率μ誘電率εの媒質における光速(すなわち位相速度)であり2はラプラス演算子である。真空中では、v ph = c 0 = 299 792 458  m/s は、基本的な物理定数です。 [1] 電磁波方程式はマクスウェル方程式から導出されます。古い文献の多くでは、 Bは磁束密度または磁気誘導と呼ばれています。以下の式は、あらゆる電磁波が横波であり、電場Eと磁場Bがどちらも波の伝播方向に垂直であることを示しています。

電磁波方程式の起源

マクスウェルからピーター・テイトへのポストカード

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、 1865年の論文『電磁場の力学的理論』において、 1861年の論文『物理的な力線について』の第3部で行ったアンペールの回路法則の修正を利用した1864年の論文『光の電磁気理論[2]の第6部では、マクスウェルは変位電流を他の電磁気学の方程式と組み合わせ、光速に等しい速度を持つ波動方程式を導出した。彼は次のように述べている。

結果の一致は、光と磁気が同じ物質の作用であり、光は電磁気法則に従って場を伝播する電磁気的擾乱であることを示しているようだ。[3]

マクスウェルの電磁波方程式の導出は、現代の物理学教育では、アンペールの回路法則の修正版とファラデーの電磁誘導の法則を組み合わせた、はるかに煩雑でない方法に置き換えられました。

現代的な方法を用いて真空中の電磁波方程式を得るには、マクスウェル方程式の現代的な「ヘヴィサイド」形式から始める。真空かつ電荷のない空間では、これらの方程式は以下のようになる。

これらは、電荷と電流がともにゼロの場合に特化した一般的なマクスウェル方程式です。回転方程式の回転をとると、次の式が得られます。

ベクトルの恒等式を使うと

ここでVは空間の任意のベクトル関数である。そして

ここでVは2項演算子であり、発散演算子∇ ⋅を作用させるとベクトルとなる。

すると、恒等式の右側の最初の項は消え、波動方程式が得られます。

どこ

自由空間における光の速度です。

同次波動方程式の共変形

横方向運動における時間の遅れ。あらゆる慣性系において光速度が一定であるという要件は、特殊相対性理論につながる

これらの相対論的方程式は変形式で次のように書ける。

ここで、電磁4元ポテンシャル

ローレンツゲージ条件

そしてどこで

はダランベール演算子です

曲がった時空における同次波動方程式

電磁波方程式は 2 つの方法で修正され、導関数が共変導関数に置き換えられ、曲率に依存する新しい項が表示されます。

ここで、はリッチ曲率テンソルであり、セミコロンは共変微分を示します。

曲がった時空におけるローレンツゲージ条件の一般化が仮定される。

不均質電磁波方程式

真空中では、局所的に時間変化する電荷密度と電流密度が電磁波の源として作用することがあります。マクスウェル方程式は、波源を含む波動方程式として表すことができます。波動方程式に波源を加えると、偏微分方程式は非同次になります。

同次電磁波方程式の解

電磁波方程式の一般解は、次のような波の線形重ね合わせである。

事実上、無次元引数φを持つ任意の適切な関数gに対して適用されます。ここで、ω角周波数(ラジアン/秒)、k = ( k x , k y , k z )は波数ベクトル(ラジアン/メートル)です。

関数gは単色正弦波となる場合もあり、多くの場合単色正弦波であるが、必ずしも正弦波である必要はなく、周期的である必要もない。実際には、実在の電磁波は常に時間と空間において有限の広がりを持つため、 gは無限の周期性を持つことはできない。結果として、フーリエ分解の理論に基づくと、実在の波は無限の正弦周波数の重ね合わせから構成されることになる。

さらに、有効な解を得るには、波数ベクトルと角周波数は独立ではなく、分散関係に従う必要があります。

ここで、k波数λは波長です。変数cは、電磁波が真空中にある場合にのみこの式で使用できます。

単色、正弦波定常状態

波動方程式の最も単純な解は、分離可能な形式で単一周波数の正弦波形を仮定することによって得られます。

どこ

平面波解

単位法線ベクトルで定義される平面を考える

すると、波動方程式の平面進行波解は

ここで、r = ( x , y , z )は位置ベクトル (メートル単位) です。

これらの解は、法線ベクトルnの方向に伝わる平面波を表しています。z方向をnの方向、x方向をEの方向と定義すると磁場y方向あり電場と次の関係があります。

電場と磁場の発散はゼロなので、伝播方向には場は存在しません。

この解は波動方程式の直線偏光解です。また、場が法線ベクトルを中心に回転する円偏光解も存在します。

スペクトル分解

真空中におけるマクスウェル方程式の線形性により、解は正弦波の重ね合わせに分解できる。これは、微分方程式を解くためのフーリエ変換法の基礎となる。電磁波方程式の正弦波解は、以下の形をとる。

どこ

  • tは時間(秒)です。
  • ωは角周波数(ラジアン/秒)です。
  • k = ( k x , k y , k z )波数ベクトル(ラジアン/メートル)であり、
  • 位相角(ラジアン)です。

波数ベクトルは角周波数と次の関係がある。

ここで、 k波数λは波長です

電磁スペクトルは、波長の関数として場の強度(またはエネルギー)をプロットしたものです。

多極展開

時間とともに変化する単色場を仮定し、マクスウェル方程式を使ってBを消去すると、電磁波方程式はEについてヘルムホルツ方程式に簡約されます。

ここで、k = ω / cは上記の通りである。あるいは、Eを消去してBを代入すると、以下の式が得られる。

周波数ωを持つ一般的な電磁場は、これら2つの方程式の解の和として表すことができます。ヘルムホルツ方程式の3次元解は、球面ベッセル関数に比例する係数を持つ球面調和関数の展開として表すことができます。しかし、この展開をEまたはBの各ベクトル成分に適用すると、一般的に発散のない解(∇ ⋅ E = ∇ ⋅ B = 0)が得られないため、係数に追加の制約が必要になります。

多重極展開は、EBではなく、rEまたはrBを球面調和関数に展開することで、この困難を回避します。これらの展開でも、発散のない場Fに対して2 ( rF ) = r ⋅ (∇ 2 F )となるため、 EBに関する元のヘルムホルツ方程式を解くことができます。結果として得られる一般的な電磁場の式は以下のようになります。

ここでおよびは(l, m)次の電気多重極場およびは対応する磁気多重極場a E ( l , m )およびa M ( l , m )は展開の係数である。多重極場は次のように与えられる。

ここで、h l (1,2) ( x )球面ハンケル関数E l (1,2)B l (1,2)は境界条件によって決定され、

ベクトル球面調和関数正規化されており、

電磁場の多重極展開は、球対称性を伴う多くの問題、例えばアンテナの放射パターンや原子核のガンマ崩壊などに応用されている。これらの応用では、遠方場に放射される電力に関心が寄せられることが多い。この領域では、電界磁界は漸近的に

時間平均放射電力の角度分布は次のように表される。

参照

理論と実験

現象と応用

伝記

注記

  1. ^ ISO 31に従い、真空中の光速を表すために現在ではc 0が用いられています。1983年の最初の勧告では、この目的で記号cが使用されていました。NIST Special Publication 330、付録2、45ページ参照。Wayback Machineで2016年6月3日にアーカイブ。
  2. ^ マクスウェル 1864、497ページ。
  3. ^ Maxwell 1864、499ページを参照。

さらに読む

電磁気

ジャーナル記事

  • マクスウェル、ジェームズ・クラーク、「電磁場の動的理論」、ロンドン王立協会哲学論文集、155、459-512 (1865)。(この論文は、1864年12月8日にマクスウェルが王立協会で行った発表に付随するものである。)

学部レベルの教科書

  • グリフィス、デイビッド・J. (1998). 『電気力学入門(第3版)』 プレンティス・ホール. ISBN 0-13-805326-X
  • ティプラー、ポール (2004). 『科学者とエンジニアのための物理学:電気、磁気、光、そして初等現代物理学(第5版)』 WHフリーマン. ISBN 0-7167-0810-8
  • エドワード・M・パーセル著『電気と磁気』(マグロウヒル、ニューヨーク、1985年)。ISBN 0-07-004908-4
  • ヘルマン・A・ハウスとジェームズ・R・メルチャー著『電磁場とエネルギー』(プレンティス・ホール、1989年)ISBN 0-13-249020-X
  • バネシュ・ホフマン著『相対性理論とその根源』(フリーマン社、ニューヨーク、1983年)。ISBN 0-7167-1478-7
  • デイヴィッド・H・ステイリン、アン・W・モーゲンサーラー、ジン・オー・コン著『電磁波』(プレンティス・ホール、1994年)ISBN 0-13-225871-4
  • チャールズ・F・スティーブンス著『現代物理学の6つの核となる理論』(MIT Press、1995年)ISBN 0-262-69188-4
  • マルクス・ザーン著『電磁場理論:問題解決アプローチ』(ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、1979年)ISBN 0-471-02198-9

大学院レベルの教科書

ベクトル計算

  • PC Matthewsベクトル計算、Springer 1998、ISBN 3-540-76180-2
  • HM Schey, Div Grad Curl and all that: An informal text on vector calculus , 4th edition (WW Norton & Company, 2005) ISBN 0-393-92516-1
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