- •О вихревых и потенциальных полях.
- •Введение векторных и скалярных потенциалов для мгновенных электромагнитных полей.
- •Введение векторных и скалярных потенциалов в случае монохроматических электромагнитных полей.
- •1. Определение с помощью потенциалов монохроматических полей возбуждаемых сторонними электрическими токами.
- •2. Определение с помощью потенциалов гармонических полей возбуждаемых сторонними магнитными токами.
- •3) Определение с помощью векторных потенциалов электромагнитного поля, возбуждаемого суперпозицией сторонних электрических и магнитных токов.
- •3 Замечание.
Введение векторных и скалярных потенциалов для мгновенных электромагнитных полей.
Переменное электромагнитное поле в общем случае представляет собой более сложный объект, чем суперпозиция вихревого и потенциального полей, но оно может быть выражено через векторные и скалярные потенциалы.
Вернемся к УМ (3.1), но теперь предположим, что сторонние токи и заряды меняются во времени и связаны уравнением непрерывности (3.6).
Поскольку магнитных зарядов нет, мы, как и в стационарном случае, можем полагать, что векторное магнитное поле является вихревым и представлено как ротор некоторого вектора Ae (см. определение (3.7)). Подставим соотношение (3.7) во второе УМ в (3.1). Это даст
,
или
(3.9)
Вектор, ротор которого равен нулю, может быть представлен градиентом некоторой потенциальной функции. В статике мы имели соотношение (3.3): Е = - grad φ. В электродинамике положим вектор, стоящий под знаком rot в (3.9), равным – grad e :
таким образом
(3.10)
Из (3.10) видно, что вектор Е не является чисто потенциальным, а содержит вихревую и потенциальную составляющие.
Исключим теперь Нe и Еe из 1-го УМ (3.1) с помощью (3.7) и (3.10). Получим
,
Учитывая, что rotrot = + grad div, получим далее
(3.11)
Заметим теперь, что потенциалы Аe и φe уже не являются независимыми (это следует хотя бы из того факта, что сторонние токи и заряды связаны уравнением непрерывности). Это означает, что потенциал Аe может содержать не только вихревую, но и «безвихревую» (потенциальную) составляющие. Поскольку условие (3.7) определяет только вихревую часть потенциала Аe, прибавление к Аe слагаемого вида grad не меняет Нe. Поэтому в (3.7) и (3.10) «безвихревая» часть потенциала Аe не определена, а «потенциальная» часть вектора Еe слагается из двух величин – «безвихревой» части вектора Аe и слагаемого grade.
Поскольку имеется свобода в выборе «безвихревой» части вектора Аe , распорядимся ей следующим образом. Наложим на Аe и grade такую связь, чтобы максимально упростить уравнение (3.11). Из (3.11) видно, что мы можем наложить условие
(3.12)
при этом уравнение (3.11) перейдет в волновое уравнение для векторного электрического потенциала (уравнение Даламбера)
. (3.13)
Здесь V=(εa μa)-1/2 – скорость ЭМ волн в среде.
Дополнительная связь (3.12), наложенная на векторный потенциал Аe и скалярный потенциал e , называется условием калибровки Лоренца.
Обратим внимание на то, что в правой части уравнения (3.13) стоит только сторонний электрический ток, а производные тока отсутствуют. Это не только упрощает (по сравнению с аналогичными уравнениями для Е или Н) решение задач излучения антенн, но и облегчает физическую интерпретацию процессов излучения.
Предположим, что мы нашли решение векторного волнового уравнения (ВВУ) (3.13) для заданного распределения стороннего тока. Дальше надо найти поля Е и Н . Магнитное поле находится подстановкой вектора Н в (3.7). Чтобы найти электрическое поле, исключим скалярный потенциал φe из (3.10), используя условие калибровки (3.12). Связь (3.12) можно рассматривать, как обыкновенное дифференциальное уравнение для потенциала φe . Интегрируя его по времени, получим
(3.14)
Здесь для определенности принято, что сторонний ток включен в момент времени t0.
Подставив (3.14) в (3.10), получим, что электрическое поле может быть найдено с помощью соотношения
(3.15)
Таким образом, для определения электрического и магнитного полей. создаваемых сторонним электрическим током, достаточно решить ВВУ (3.13) и далее найти поля Е и Н с помощью соотношений (3.7) и (3.15).
Аналогичные ВВУ и соотношения для электрического и магнитного полей, создаваемых сторонним магнитным током и определяемый через векторный магнитный потенциал, находятся с помощью принципа перестановочной инвариантности (см. [1], стр. 36-37). Соответствующие соотношения предлагается получить самостоятельно.