波因廷矢量 Poynting vector

2022-10-31 10:19:19 浏览:334

定义

表示电磁波能量流强度和方向的矢量。

Poynting矢量于1884年由John Henry Poynting引入电磁学理论,并将其与Poynting关于能量守恒定理的定理结合使用。 它定义为电场矢量E和磁场矢量H的交叉乘积:

在其微观版本中,不使用任何材料数据模型,Poynting向量可以写成

磁通密度B。 这个版本可以被认为是最通用的,因为它不是基于任何会引入额外假设的材料模型。

所呈现的向量都是实向量和时间相关向量。 在每个周期内,Poynting矢量的大小在最大值的零到两倍之间振荡。 在许多情况下,Poynting矢量在单色光的整个光学振荡周期内取平均值,其提供峰值的一半。

Poynting矢量可以指示电磁波的能量流方向,其大小也表示光学强度,即每单位面积的辐射通量(→辐射测量)。 时间平均版本而不是振荡版本通常与光学强度有关。

可以为相量(复向量)设置类似的方程,但具有额外的常数因子(取决于相量的确切定义)。 这样的Poynting向量通常是复杂的。 然后,净能量流由其实部表示,而其虚部与无功功率(在每个光周期中来回振荡)有关。

奇怪的是,即使对于静态电磁场,Poynting矢量也可以不为零。

光学中的波因廷矢量

Poynting矢量是电磁学中的一般概念,除了无线电波等其他领域外,还经常应用于光学和光子学。

在均匀和各向同性的光学材料中(或在真空中),Poynting矢量始终垂直于光的波前,即平行于波矢量。 然而,在双折射介质中,它可能在某种程度上倾斜于波矢量,这意味着一些空间走开。 例如,这种现象与非线性晶体材料中具有临界相位匹配的非线性频率转换有关。

对于光学界面处的全内反射,Poynting矢量在该界面方向上没有分量。

参考文献

[1] J. H. Poynting, “On the transfer of energy in the electromagnetic field”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 175, 343 (1884), doi:10.1098/rstl.1884.0016

基础光学

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