Poyntingov vektor

(Preusmerjeno s strani Umov-Poyntingov vektor)

Poyntingov véktor (ali tudi Umov-Poyntingov vektor [pójtingov ~/úmov-pójtingov ~]; označba ali ) je v fiziki vektorska količina in predstavlja smer in velikost energijskega toka elektromagnetnega polja. Imenuje se po angleškem fiziku Johnu Henryju Poyntingu, ki ga je leta 1884 uvedel. Določen je kot:

Sevanje dipola. Dipol je vzporeden z osjo z, električno polje in Poyntingov vektor pa ležita v ravnini x-z.

Tako je izvorno zapisal vektor tudi Poynting sam in takšno obliko pogosto imenujejo Abrahamova oblika. Tu sta jakost električnega polja in jakost magnetnega polja.[1][2] (Vse krepke črke predstavljajo vektorje.) Gostoto energijskega toka (v W/m2) izračunamo kot časovno povprečje Poyntingovega vektorja:

[3]

Včasih rabijo drugo definicijo z jakostjo električnega polja in gostoto magnetnega polja . V obliki Minkowskega sta gostota električnega polja in gostota magnetnega polja . S količinama in je moč zapisati Poyntingov vektor v četrti obliki.[4] Izbira količin je sporna. Pfeifer idr. lepo povzamejo stoletja dolg spor med zagovorniki Abrahamove oblike in oblike Minkowskega.[5] Druga definicija je smiselna, ker sta in osnovni količini.[5]

Poyntingov vektor sta neodvisno odkrila tudi Oliver Heaviside in Nikolaj Aleksejevič Umov (1874).[6] Umov je podal obliko vektorja za energijski tok v kapljevinasti in elastični snovi v popolnoma splošnem smislu.[7] Poyntingovo delo s tega področja je bilo prvič objavljeno leta 1884.[1]

Interpretacija uredi

Poyntingov vektor se pojavlja v Poyntingovem izreku, zakonu o ohranitvi energije:[2]

 

kjer je   gostota električnega toka prostih nabojev,   pa elektromagnetna gostota energijskega toka:

 

Prvi člen na desni strani predstavlja čisti elektromagnetni energijski tok v majhno prostornino, drugi člen pa odšteti del dela prostih električnih tokov, ki se niso nujno pretvorili v elektromagnetno energijo (disipacija, toplota). Pri tej deiniciji mejni električni tokovi niso vključeni v ta člen, in namesto tega prispevajo k   in  .

Pri tem je   podana le, če so snovi nedisperzivne in enolične, oziroma, če lahko konstitutivni zvezi zapišemo kot:

 

kjer sta ε in μ konstanti (odvisni od snovi skozi katero teče energija), dielektričnost in magnetna permeabilnost snovi.[2]

To praktično omejuje Poyntingov izrek v tej obliki za polja v praznem prostoru. Posplošitev za disipativne snovi je možna pod določenimi pogoji za ceno dodatnih členov in izgubo njihovih jasnih fizikalnih interpretacij.[2]

Poyntingov vektor se običajno interpretira kot energijski tok, kar strogo gledano pravilno le za elektromagnetno valovanje. V splošnem primeru se kot količina pojavlja kot divergenca, kar pomeni, da lahko opiše le spremembo gostote energijskega toka v prostoru, ne pa tudi energijski tok.

Formulacija s členi mikroskopskih polj uredi

V nekaterim primerih je ustrezneje definirati Poyntingov vektor   kot:

 

kjer je   indukcijska konstanta. Lahko se izvede neposredno iz Maxwellovih enačb s skupnim nabojem in tokom, ter zakonom o Lorentzevi sili.

Odgovarjajoča oblika Poyntingovega izreka je:

 

kjer je   skupna gostota električnega polja in elektromagnetna gostota energijskega toka  :

 

kjer je   influenčna konstanta.

Obe definiciji Poyntingovega vektorja sta enakovredni v vakuumu in nemagnetnih snoveh, kjer je  . V vseh drugih primerih se razlikujeta za  , odgovarjajoče gostote   pa so le sevajoče, saj disipacijski člen   pokriva celotni tok. V definiciji s   so prispevki od mejnih tokov, ki potem manjkajo v disipacijskem členu.[8]

Ker sta v izpeljavi   potrebni le mikroskopski polji   in  , se lahko popolnoma ognemo privzetku o prisotnosti poljubne snovi, tako da Poyntingov vektor in tudi tako definiran izrek veljata v splošnem - v vakuumu in v vsakršni snovi. To še posebej velja za elektromagnetno gostoto energijskega toka v nasprotju z zgornjim primerom.[8]

Sklici uredi

Viri uredi

  • Breuer, Hans (1993). Atlas klasične in moderne fizike. Ljubljana: DZS. COBISS 35693056. ISBN 86-341-1105-9.
  • Jackson, John David (1998). Classical electrodynamics (3. izd.). New York: Wiley. ISBN 047130932X.
  • Kinsler, Paul; Favaro, Alberto; McCall, Martin W. (2009). »Four Poynting theorems« (reprint). Eur. J. Phys. Zv. 30. str. 983. doi:10.1088/0143-0807/30/5/007.
  • Pfeifer, R. N. C.; Nieminen, T.A.; Heckenberg N. R.; Rubinsztein-Dunlop H. (2007). »Momentum of an electromagnetic wave in dielectric media«. Rev. Mod. Phys. Zv. 79. str. 1197. doi:10.1103/RevModPhys.79.1197.
  • Poynting, John Henry (1884). »On the Transfer of Energy in the Electromagnetic Field«. Phil. Trans. Zv. 175. str. 277. doi:10.1098/rstl.1884.0016.
  • Richter, Felix; Florian, Matthias; Henneberger, Klaus (2008). »Poynting's theorem and energy conservation in the propagation of light in bounded media« (reprint). Europhys. Lett. Zv. 81. str. 67005. doi:10.1209/0295-5075/81/67005.
  • Sivuhin, D. V. (1975). »Т. II. Термодинамика и молекулярная физика«. Общий курс физики. Moskva: Nauka.
  • Umov, Nikolaj Aleksejevič (1874). »Ein Theorem über die Wechselwirkungen in Endlichen Entfernungen«. Zeitschrift für Mathematik und Physik. Zv. XIX. str. 97.