В электродинамике помимо основных понятий, характеризующих физическое явление и его части, существует понятие энергии. Оно присуще в различных выражениях. Одним из них является энергетическое соотношение в электродинамике.
Энергетические соотношения в электродинамике
Существует несколько типов соотношения энергии в электродинамике:
- сторонние токи и заряды;
- скорость распространения электромагнитной энергии;
- уравнение баланса мгновенных значений мощности.
Рассматривая уравнения Максвелла, введенные еще два столетия назад к новым электродинамическим явлениям, подразумевалась плотность тока проводимости, который возникал в проводящей среде. Вектор рождался под активным действием электромагнитного поля. В дифференциальной форме подобный вектор полностью соответствовал закону Ома. Однако для обозначения реальной электродинамической задачи начали вводить первопричинные токи.
Их еще называют заданными, и они характеризуют возникновение электромагнитного поля в целом. Также их называют сторонними, и для учета таких токов вводится первое уравнение Максвелла. В нем плотность сторонних токов взаимодействует с плотностью тока проводимости, который был вызван электромагнитным полем. Такое же понятие можно применить к сторонним зарядам - его решение находится в третьем уравнении Максвелла. В этом случае второе и четвертое уравнение Максвелла остается без изменений, когда переменные поля функции связаны с уравнением непрерывности.
При совершении анализа ряда задач исследователи используют стороннюю напряженность электрического поля вместо сторонних токов. В ходе изучения опытным путем электродинамических явлений задается напряженность электрического поля, которое создается токами и зарядами. Но все они расположены вне зоны области рассмотрения.
Уравнение баланса мгновенных значений мощности
В физике электромагнитное поле представляется в форме вида материи. Она способна обладать энергией, так как все формы материи распространяются и видоизменяются в пространстве. Этот процесс закономерен и через него возникают новые формы энергии.
Ученые попытались сформировать уравнение баланса, где мгновенные значения применимы к другому объему, который ограничен определенной поверхностью. Известно, что мощность, которая выделяется сторонними источниками, расходуется и теряется. Под влиянием внутреннего электромагнитного поля изменяется энергия. Она также может рассеиваться на некоторые части и уходить через рассматриваемую поверхность в окружающее пространство.
Подобный метод вычисления дает представление обо всех происходящих энергетических соотношениях на качественном уровне. Для подсчета количественного соотношения применяют первое уравнение Максвелла с учетом сторонних токов.
Для подобного просчета пользуются представлениями о магнитном и электрическом полях. Их выражают в качестве постоянной величины, которая лежит вне зависимости от времени. Подобное выражение определяет энергию магнитного и электрического полей в определенном объеме. Известно, что при подобных представлениях выражения могут определять только мгновенные значения энергии магнитного и электрического поля, но их сумма по формуле будет равна мгновенному значению энергии электромагнитного поля в объеме V вне зависимости от времени.
Физическая сущность поверхностного интеграла в уравнении определяется при введении постоянной величины электромагнитной энергии. Для этого необходимо сделать предположение, что в объеме V отсутствуют потери энергии. Однако при расчетах становится понятно, что мощность сторонних источников в частном случае будет уходить в окружающее пространство.
При определении мгновенных значений мощности используют:
- вектор П;
- подынтегральные выражения;
- принцип суперпозиции.
Вектор П. выражается в форме плотности потока энергии, то есть предела отношения потока энергии через поверхность, расположенную перпендикулярно распространению энергии. Подобная энергия поступает не только от сторонних источников в объем V. Поток энергии направляется сквозь определенную поверхность из окружающего пространства в объем V.
Также сторонние источники отдают собственную энергию, что получают от электромагнитного поля. В этом случае мощность сторонних источников становится отрицательной. Доказано, что электромагнитное поле способно отдавать энергию току проводимости. В этом случае образование тока идет под ускорением движения заряженных частиц. Вектор напряженности имеет в определенных значениях составляющую, которая направлена вдоль линий тока. Общая сумма значений векторов должна быть больше нуля.
При определении энергии электромагнитного поля рассматриваются подынтегральные выражения. Их изучают в качестве мгновенных значений объемных плотностей энергии магнитного и электрического полей. Сумма значений выглядит в виде объемной плотности полной энергии электромагнитного поля.
Векторы напряженности магнитного и электрического полей полностью соответствуют принципу суперпозиции, однако он не распространяется на энергию.
Скорость распространения электромагнитной энергии
Распространение энергии в пространстве электромагнитного поля возможно при соблюдении условий теоремы Пойнтинга. Согласно ее положениям вычисляется скорость, с которой происходит это распространение в пространстве.
Установлено, что энергия электромагнитного поля, которая прошла через поперечное сечение трубки, распределяется с определенной плотностью в указанном объеме. Он должен быть ограничен поперечными сечениями и боковой поверхностью этой трубки. При проведении расчетов применяется энергетическая трубка. Она состоит из боковой поверхности с перпендикулярной к ней составляющей. Ее называют вектором Пойнтинга, и она должна всегда приравниваться нулю.
