库仑规范(电动力学)

                     

贡献者: addis

预备知识 1 规范变换,泊松方程

   当我们规范变换中选择 $\lambda$ 使得 $ \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\mathbf{A}} \equiv 0$ 时,就得到了库仑规范。这种选择在很多情况下可以简化计算,因为这样标势和矢势的麦克斯韦方程组(式 4 式 5 )化简为(真空中的光速为 $c = 1/\sqrt{\mu_0\epsilon_0}$)

\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}^2 \varphi = -\frac{\rho}{\epsilon_0}~, \end{equation}
\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}^2 \boldsymbol{\mathbf{A}} - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^{2}{ \boldsymbol{\mathbf{A}} }}{\partial{t}^{2}} = -\mu_0 \boldsymbol{\mathbf{j}} + \frac{1}{c^2} \boldsymbol\nabla \frac{\partial \varphi}{\partial t} ~. \end{equation}
其中式 1 的形式与静止电荷分布的泊松方程形式一样,但同样适用于随时间变化的 $\rho$。这看起来似乎电荷对 $\varphi$ 存在瞬时作用,但由于标势和矢势都只是数学上的量而不是物理上的可观测量,所以是不违背相对论中 “信息不能超光速的” 的。

   在没有净电荷和电流的区域,以上两式进一步化简为

\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}^2 \varphi = 0~, \end{equation}
\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}^2 \boldsymbol{\mathbf{A}} - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^{2}{ \boldsymbol{\mathbf{A}} }}{\partial{t}^{2}} = \frac{1}{c^2} \boldsymbol\nabla \left( \frac{\partial \varphi}{\partial t} \right) ~. \end{equation}

   任何满足 $ \boldsymbol{\nabla}^2 \lambda = 0$ 的规范变换都能保持 $ \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\mathbf{A}} = 0$ 不变。可见只有 $ \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\mathbf{A}} = 0$ 并不能唯一确定标势矢势,还需要一定的边界条件。库仑规范的另一个条件是:令标势的边界条件为无穷远处 $\varphi = 0$,于是标量势可以唯一确定为

\begin{equation} \varphi( \boldsymbol{\mathbf{r}} , t) = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \int \frac{\rho( \boldsymbol{\mathbf{r}} ', t)}{ \left\lvert \boldsymbol{\mathbf{r}} - \boldsymbol{\mathbf{r}} ' \right\rvert } \,\mathrm{d}^{3}{r'} ~. \end{equation}

1. 无源的情况

预备知识 2 波动方程

   如果空间中没有电荷(称为无源),那么根据式 5

\begin{equation} \varphi \equiv 0~. \end{equation}
结合式 1 得到一个常用的结论是
\begin{equation} \boldsymbol{\mathbf{E}} (t) = - \frac{\partial \boldsymbol{\mathbf{A}} }{\partial t} ~. \end{equation}
如果空间中也没有电流,矢势的波动方程式 2 也变得更简单
\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}^2 \boldsymbol{\mathbf{A}} - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^{2}{ \boldsymbol{\mathbf{A}} }}{\partial{t}^{2}} = 0~. \end{equation}
该方程若写成分量的形式就是常见的波动方程,通解就是由任意极化方向 $ \boldsymbol{\mathbf{A}} _0$ 和延传播方向 $ \boldsymbol{\mathbf{k}} $ 光速传播的平面简谐波
\begin{equation} \boldsymbol{\mathbf{A}} ( \boldsymbol{\mathbf{r}} , t) = \boldsymbol{\mathbf{A}} _0 \cos\left( \boldsymbol{\mathbf{k}} \boldsymbol\cdot \boldsymbol{\mathbf{r}} - \omega t + \phi\right) \qquad (\omega = ck)~. \end{equation}
叠加而成。最后施加 $ \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{\mathbf{A}} = 0$ 条件后得 $ \boldsymbol{\mathbf{A}} _0 \boldsymbol\cdot \boldsymbol{\mathbf{k}} = 0$,即振动方向与传播方向垂直。

                     

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