1、1,第五章 电磁波的辐射,2,电磁波是由运动电荷辐射出来的。本章研究高频交变电流辐射电磁波的规律。例如：无线电波是由发射天线上的高频交变电流辐射出来的。,3,严格来说，天线上的电流和它激发的电磁场是相互作用的。天线电流激发电磁场，而电磁场又反过；来作用到天线电流上，影响着天线电流的分布。所以辐射问题本质上也是一个边值问题。,4,天线电流和空间电磁场是相互作用的两方面，需要应用天线表面上的边界条件，同时确定空间中的电磁波的形式和天线上的电流分布。,这种问题的求解一般比较复杂。仅局限于讨论：给定天线上电流分布,计算辐射电磁波,5,主要内容,把势的概念并推广到一般变化电磁场,通过势求解电磁辐射,高频
2、交变电流辐射电磁波的规律,6,5.1 电磁场的矢势和标势,7,考虑真空中的电磁场，麦克斯韦方程组,其中,1. 势的引入,8,由B的无源性引入矢势A,一般情况下，仍然保持无源性，所以上式是普遍成立的。,A的物理意义：在任意时刻，A沿任一闭合回路的线积分等于该时刻通过回路内的磁通量。,恒定场：,9,一般的情况下，电场E既受到电荷的激发，也受到变化磁场的激发，而变化磁场激发的是有旋的电场。,因此，一般情况电场是有源和有旋的，不可能用一个单独的标势来描述。在变化情况下电场与磁场发生直接联系，则电场的表示式必然包含矢势A在内。,10,上式表明矢量E+A/t是无旋场，因此可以用标势描述，,一般情况下电场的
3、表示式为,11,此两式把电磁场用矢势和标势表示出来。注意现在的电场E不再是保守力场，一般不存在势能的概念，标势失去作为电场中的势能的意义。因此，在高频系统中，电压的概念也失去确切的意义。在变化场中，磁场和电场是相互作用着的整体，必须把矢势和标势作为一个整体来描述电磁场。,12,2. 规范变换和规范不变性,用矢势A和标势描述电磁场不是唯一的，即给定的E和B并不对应于唯一的A和。,对矢势A可以加上一个任意函数的梯度，结果不影响B，而这加在A上的梯度部分又可以从中除去，结果也不影响B。设为任意时空函数，做变换,13,有,描述同一电磁场,一种规范,势的规范变换,14,在经典电动力学中，由于表示电磁场客
4、观属性的可测量的物理量为E和B，而不同规范又对应着同一的E和B，因此如果用势来描述电磁场，客观规律应该和势的特殊的规范选择无关。,规范不变性:当势作规范变换时，所有物理量和物理规律都应该保持不变的一种不变性。,15,在量子力学中，E和B不能完全描述电磁场的所有物理效应。例如在A-B效应中，在非单连通区域内绕闭合路径一周的电子波函数相位差，就由回路积分描述，它不能用B的局域作用来描述。,16,但是，此回路积分仍然是规范不变的。因为对A做规范变换后,表明在量子力学中，所有可测量的物理量仍然保持规范不变性。,17,在经典电动力学中，势A和的引入是作为描述电磁场的一种方法，规范不变性是对这种描述方法所
5、加的要求。,在近代物理中，规范变换是由量子力学的基本原理引入的，规范不变性是一条重要的物理原理。,18,在量子力学中A和的地位也比在经典电动力学中重要得多。因此要熟悉用势描述电磁场的方法。,19,现在已经清楚，不仅在电磁相互作用中，而且在其他基本相互作用，包括弱相互作用和强相互作用中，规范不变性是决定相互作用形式的一条基本原理。,传递这些相互作用的场称为规范场,电磁场是最熟知的一种规范场,20,从数学上来说，规范变换自由度的存在是由于在势的定义式中，只给出A的旋度，而没有给出A的散度。,因此，还不足以确定这矢量场。为了确定它还必须给定它的散度。,21,电磁场E和B本身对A的散度没有任何限制。因
6、此，作为确定势的辅助条件，我们可以取A为任意的值。,22,每一种选择对应一种规范。采用适当的辅助条件可以使基本方程和计算简化，而且物理意义也较明显。从计算方便考虑，在不同问题中可以采用不同的辅助条件。应用最广泛的是以下两种规范条件。,(1) 库仑规范,(2) 洛伦兹规范,23,(1) 库仑规范,辅助条件,A为无源场,无源场(横场)-感应电场,无旋场(纵场)-库仑场,24,这种规范在基本理论以及解决实际辐射问题中是特别方便的,(2) 洛伦兹规范,辅助条件,采用这种规范时,势的基本方程化为特别简单的对称形式,对其物理意义也特别明显。,25,3. 达朗贝尔(dAlembert)方程,由麦克斯韦方程组
7、推导A和所满足的基本方程,26,应用,这是适用一般规范的方程组。,27,(1) 采用库仑规范,这种规范的特点是标势所满足的方程与静电场情形相同，其解是库仑势。解出后代入第一式可解出A，因而可以确定辐射电磁场。,28,(2) 采用洛伦兹规范,达朗贝尔方程,非齐次的波动方程,电荷产生标势波动,电流产生矢势波动,29,离开电荷电流分布区域以后，矢势和标势都以波动形式在空间中传播，由它们导出的电磁场E和B也以波动形式在空间中传播。当然E和B的波动性质是和规范无关的。,30,在洛伦兹规范下，方程连同辅助条件（洛伦兹条件式）是用势表述的电动力学基本方程组。求得势的基本解后，电磁场E和B由势定义给出。,31
8、,例 求平面电磁波的势,从下例可以看出这两种规范各自的优点。,平面电磁波在没有电荷电流分布的空间中传播，因而势的方程变为波动方程，其平面波解为,解,32,对A和加上洛伦兹条件得,33,因此，只要给定矢量A0，就可以确定平面电磁波。场强E和B为,和第四章1结果一致。,34,注意：平面电磁场只依赖于矢势A的横向分量，对A加上任意纵向部分 k（同时对加上0，为任意常数）都不影响 电磁场值。这说明在平面波情形，即使加上洛伦兹条件后，A和仍然不是唯一确定的，还剩下一些规范变换自由度。最简单的选择是取A只有横向部分，kA=0则=0。用这规范时有,35,如果我们采用库仑规范，势的方程在自由空间中变为,平面波解为,当全空间没有电荷分布时，库仑场的标势=0,36,库仑条件保证A只有横向分量,37,(1)库仑规范的优点: 它的标势描述库仑作用，可直接由电荷分布求出;它的矢势只有横向分量，刚好足够描述电磁波的两种独立偏振。,38,(2)洛伦兹规范的最大优点是它使矢势和标势的方程具有对称性，在相对论中显示出协变性，因而对于理论探讨和实际计算都提供很大的方便，本书后面都采用洛伦兹规范，尽管在采用洛伦兹规范时，A的纵向部分和标势的选择还可以有任意性。,
