Энергия электромагнитного поля. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Из определения напряжённости электрического поля Е и индукции магнитного поля В следует выражение для работы р, совершаемой над движущимися зарядами в единичном объёме в единицу времени:

где

- вектор плотности электрического тока; u_α - скорость распределённого пространственного заряда сорта α, имеющего плотность ρ_α; суммирование производится по всем сортам пространственных зарядов (электронные заряды в металлах и вакууме, ионные заряды в газах и электролитах; связанные пространственные заряды, входящие в состав нейтральных молекул диэлектриков и магнетиков, и т. д.), участвующих во взаимодействии с электромагнитн. полем.

Формально из Максвелла уравнений, применённых к вакууму ( E = D, В = Н - математиками используется Гаусса система единиц ), связывающих векторы электромагнитного поля Е, D, Н, В с плотностями электрических зарядов ρ и токов j, следует соотношение

интерпретируется как плотность энергии электромагнитного поля, вектор

- как плотность потока энергии электромагнитного поля (Умова - Пойнтинга вектор. При этом уравнение (2) приобретает смысл закона изменения энергии электромагнитного поля. Интегрирование уравнения (2) по произвольному объёму V даёт

где -энергия электромагнитного поля в объёме V;

- поток

Энергия электромагнитного поля, вытекающая из объёма V через ограничивающую его поверхность S; n - наружная нормаль к поверхности;

-мощность, развиваемая электромагнитн. полем при взаимодействии с зарядами и токами, находящимися в объёме V.

Наличие мощности Р в законе изменения энергии электромагнитного поля (2*) означает, что электромагнитное поле может обмениваться энергией с материальными телами, изменяя их внутреннюю (тепловую) и механическую энергии. Примерами передачи энергии электромагнитного поля материальным телам могут служить нагрев проводников при протекании электрич. тока (джоулев нагрев) и пондеромоторное (механическое) воздействие электромагнитн. поля на помещённые в него диэлектрики, магнетики и проводники с током (см. Пондеромоторные силы ). Обратный процесс (возбуждение электромагнитн. поля) имеет место, например, в генераторах электромагнитного поля (в частности, в динамо-машинах).

При рассмотрении электромагнитн. взаимодействия в среде, характеризуемой наличием связанных зарядов ρ_св и обусловленных их движением электрических токов j_св, принято в плотности мощности р выделять часть p_cв = j_свE, расходуемую на поляризацию и намагничивание среды. Соответствующую плотность работы включают в вакуумную (эфирную) плотность энергии электромагнитного поля (3), в результате первое слагаемое в левой части (2) приобретает вид

Возможность интерпретировать (4) как изменение плотности энергии электромагнитного поля в единицу времени существенно зависит от характера материальных отношений (связи векторов D и В с Е и Н), присущих данной среде.

Для сред, в которых значения D и В в произвольной точке пространства в данный момент времени являются однозначными функциями значений Е и Н в той же точке пространства и в тот же момент времени, причём D = D(E), В=В(Н), (4) можно рассматривать как изменение плотности энергии электромагнитного поля.

имеющей точный термодинамический смысл: это есть разность между внутренними энергиями единичного объёма вещества при наличии и отсутствии поля при тех же плотности и энтропии (либо изменение плотности свободной энергии вещества, связанное с возникновением поля, при условии постоянства плотности и температуры). В частности, для линейной изотропной среды в отсутствие дисперсии и поглощения (D = eE, В=mН, e = e* = const, m = m* = const) (3*) принимает вид

В случае поглощающей среды единая энергетич. интерпретация отд. членов ур-ния (2) и выражения (4), основанная на материальных соотношениях общего вида, невозможна, а термодинамич. понятия (внутренняя и свободная энергия), строго говоря, неприменимы. Для отыскания Энергия электромагнитного поля в диссипативных средах приходится использовать конкретные модели среды.

Сказанное относится и к средам с дисперсией, так как в силу Крамерса - Кронига соотношений диспергирующая среда является, вообще говоря, и поглощающей. Однако для широкого круга реальных физических условий, позволяющих пренебречь диссипацией энергии электромагнитного поля, выражение для плотности энергии электромагнитного поля может быть идентифицировано без привлечения микроскопич. теории среды.

Это удаётся сделать для электромагнитн. квазимонохроматических полей - полей частоты со с медленно изменяющимися во времени амплитудами Е₀(t), H₀ ( t)

в линейной среде. Средняя за период волны (2 p/w) плотность энергии электромагнитного поля

имеет вид

где e_ik, m_ik - матричные элементы тензоров диэлектрич. и магн. проницаемостей среды, E_i, E_k, H_i, H_k - проекции векторов Е и Н на оси координат, черта сверху означает усреднение по времени за период волны, по дважды встречающемуся индексу производится суммирование.

Плотность энергии электромагнитного поля (5) в указанных условиях имеет тот же термодинамический смысл, что и (3*), (3**) для недиспергирующих бездиссипативных сред. Иначе говоря, в равновесной физ. среде наличие квазимонохроматического электромагнитного поля может приводить только к выделению тепла (поглощению энергии электромагнитного поля). Отсюда, в частности, следует неотрицательность плотности энергии электромагнитного поля, даваемой (5), для произвольной равновесной среды. В отличие от этого неравновесная среда (напр., плазма, пронизываемая пучком заряженных частиц) под действием электромагнитного поля может отдавать, а не поглощать тепло, и в такой среде плотность энергии электромагнитного поля (5) может принимать отрицат. значения (см., напр., в ст. Волны в плазме).

С квантовой точки зрения электромагнитное поле представляет собой ансамбль фотонов, каждый из к-рых обладает энергией

и импульсом

, где w - частота излучения, k - его волновой вектор. Такое представление, необходимое при исследовании взаимодействия поля с квантовыми объектами (напр., с квантовым осциллятором), оказывается также удобным при изучении обмена энергией между полем и классич. заряж. частицами, поглощающими, излучающими и рассеивающими электромагнитн. волны (напр., при рассмотрении излучения Черенкова, тормозного излучения). Плотность энергии фотонного газа, находящегося в термодинамич. равновесии с окружающими материальными телами с температурой Т, определяется выражением

где а = 7,91•10^-15 эрг/К^-4 см^-3, температуpa Т в градусах Кельвина.

Литература по энергии электромагнитного поля

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.