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1. 1D 电磁波解
( 1 c 2 ∂ 2 ∂ t 2 − ∂ 2 ∂ x 2 ) φ = ( 1 c ∂ ∂ t + ∂ ∂ x ) ( 1 c ∂ ∂ t − ∂ ∂ x ) φ = 0 令 特 征 方 程 令 v = ( 1 c ∂ ∂ t − ∂ ∂ x ) φ → { ( 1 c ∂ ∂ t + ∂ ∂ x ) v = 0 ( 1 c ∂ ∂ t − ∂ ∂ x ) φ = 0 → 特 征 方 程 : { c d t = d x c d t = − d x ⇒ { ξ = x − c t η = x + c t ⇒ 原方程的解为:
右 行 波 右 行 波 ∂ ψ ∂ ξ = 0 ∂ φ ∂ η = 0 } ⇒ ∂ 2 φ ∂ ξ ∂ η = 0 ⇒ φ ( x , t ) = f ( x − c t ) ⏟ 右行波 + g ( x + c t ) ⏟ 右行波
1 c 2 ∂ 2 ∂ t 2 φ = Δ 3 φ = ( ∂ 2 ∂ r 2 + 2 r ∂ ∂ r ) φ 设 φ = 1 r u ( r , t ) 代入上式得:
会 聚 波 发 散 波 ( 1 c 2 ∂ 2 ∂ t 2 − ∂ 2 ∂ r 2 ) u = 0 → φ ( r , t ) = 1 r [ f ( t + r / c ⏟ 会聚波 ) + g ( t − r / c ) ⏟ 发散波 ] 对于源,会聚波可略去.
2. 反常色散
此时 n r − 1 = C o n s t ⋅ ω 0 2 − ω 2 ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + ( ω γ ) 2 = C o n s t ⋅ f ( ω ) :
没 用 的 分 母 没 用 的 分 母 f ′ ( ω ) = − 2 ω [ ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + ( ω γ ) 2 ] + ( ω 2 − ω 0 2 ) [ 2 ( ω 0 2 − ω 2 ) ( − 2 ω ) + 2 γ 2 ω ] / 没 用 的 分 母 2 = 2 ω [ ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 − ω 0 2 γ 2 ] / 没 用 的 分 母 2 对于 f ′ ( ω 1 ) = f ′ ( ω 2 ) = 0 :
当 时 | ω 1 − ω 2 | = ( ω 0 2 + ω 0 γ ) 1 / 2 − ( ω 0 2 − ω 0 γ ) 1 / 2 = ω 0 ( 1 + γ ω 0 ) 1 / 2 − ω 0 ( 1 − γ ω 0 ) 1 / 2 ≈ γ ( 当 γ ≪ ω 0 时 ) 3. 介质边界的电磁波
(a) 假设 xoz 为入射面. 设入射波 { B → = B 0 e → y + 0 ⋅ e → x E → = E 0 e → x + 0 ⋅ e → y , 反射波 E R = ( E R x , E R y ) , 透射波 E T = ( E T x , E T y ) .
由 ∇ × E = − ∂ B ∂ t 和 ∇ × B μ = ∂ ε E ∂ t k 0 , B → = n → c × E → = μ ε h ^ × E → 得到如下边界条件:
E 0 + E R x = E T x 0 + E R y = E T y 0 + B R x μ = B T x μ ′ B 0 + B R y μ = B T y / μ ′ ε μ E R y = ε ′ μ ′ E T y 由第二式和最后一式可知 E R y = 0 , E T y = 0 .
∇ × E = − ∂ B ∂ t < + ∞ ⇒ E 0 + E R = E T 以及 ∇ × B μ = ∂ ε E ∂ t < + ∞ 和 B → = μ ε n ^ × E → :
⇒ ε μ E 0 cos θ I − ε μ E R cos θ I = ε ′ μ ′ E T cos θ I I 上述两式结合 sin θ I I sin θ I = n I I n I 得到:
{ E I E 0 = 2 n I cos θ I n I cos θ I + μ μ ′ n I I 2 − n I 2 sin 2 θ I E I E 0 = n I cos θ I − μ μ ′ n I I 2 − n I 2 sin 2 θ I n I cos θ I + μ μ ′ n I I 2 − n I 2 sin 2 θ I 4. TM 模
假设方形波导管的轴向是 z 方向, 波动方程是:
( ∂ 2 ∂ 2 x + ∂ 2 ∂ 2 y + ( μ ϵ ω 2 − k 2 ) ) E z = 0 边界条件是 E → | | = 0 :
{ E z = E y = 0 a t x = 0 , a E z = E x = 0 a t y = 0 , b 通过分离变量 E z = X ( x ) Y ( y ) , 得到:
E z = E 0 sin m π x a sin n π y b 给出的截止频率在 k = 0 时取得, 它是:
ω m n = π c m 2 a 2 + n 2 b 2 注意, 如果 m = 0 o r n = 0 会使得 E z = 0 , 波模不存在. 所以对应的最低截止频率是 ω 11 .
5. 课本题
1. 窄带双色波
A → = A → 0 [ e i ( k x − ω t + d k x − d ω t ) + e i ( k x − ω t − d k x + d ω t ) ] = A → 0 e i ( k x − ω t ) [ e d k x − i d ω t + e d k x − i d ω t ― ] = 2 A → 0 cos ( d k ⋅ x − d ω ⋅ t ) e i ( k x − ω t )
(2) 从相速度对应于等相位面 e i ( k x − ω t ) = c o n s t . , 以及群速度对应波包面 cos ( d k ⋅ x − d ω ⋅ t ) = c o n s t . 得到:
ν phase = ω / k , ν group = d ω / d k 4. 各向异性介质
∇ ⋅ B = 0 ⇒ k → ⋅ B → = 0 ∇ ⋅ D → = ϵ ∇ ⋅ E → + E → ⋅ ∇ ϵ = 0 ⇒ k ⋅ D → = 0 ( ∇ ϵ ≠ 0 ⇒ ∇ ⋅ E → ≠ 0 ⇒ k → ⋅ E → ≠ 0 ) ∇ × E = − ∂ B ∂ t ⇒ k → × E → = ω B → ⇒ E → ⊥ B → ⇒ B → ⋅ E → = B → ⋅ D → = 0 ∇ × B μ = ∂ D ∂ t ⇒ k → × B → μ = − ω D → ⇒ B → ⊥ D → ⇒ B ⋅ D → = 0
D → = − k ω × B → μ = − 1 ω 2 μ k → × ( k → × E → ) = 1 ω 2 μ [ k 2 E → − k → ( k → ⋅ E → ) ]
(3) 由于 S → = E × H , 对 k → × E → = ω B → 叉乘 E → 得到:
( k → × E → ) × E → = ω B → × E → ⇒ E → ( k → ⋅ E → ) − k → E 2 = ω B → × E → 可 见 一 般 不 与 同 向 ∵ k → ⋅ E → ≠ 0 ∴ 可 见 B → × E → 一 般 不 与 k → 同 向 9. 半无界波导管
求解 [ ∂ 2 ∂ x 2 + ∂ 2 ∂ y 2 + ∂ 2 ∂ z 2 + ω 2 c 2 ] ( E B ) = 0 , 边界条件:
{ E x = E y = 0 , ∂ E z / ∂ z = 0 at z = 0 E y = E z = 0 , ∂ E y / ∂ x = 0 at x = 0 , a E x = E z = 0 , ∂ E y / ∂ y = 0 at y = 0 , b 设 E z = X ( x ) Y ( y ) Z ( z ) ,可得
1 X d 2 X d x 2 = − k x 2 1 Y d 2 Y d y 2 = − k y 2 1 Z d 2 Z d z 2 = − k z 2 k x 2 + k y 2 + k z 2 = w 2 c 2 可以得到答案的前四式. 最后, 由 ∇ ⋅ E → = 0 得到:
A x m π a + A y n π b + A z k z = 0 13. 波导管** 2
ν m n = ω m n 2 π = 1 2 c m 2 a 2 + n 2 b 2 = { 1.5 × 10 8 ⋅ m 2 4 9 × 10 − 6 + n 2 1.6 × 10 − 6 = 1.5 × 10 11 m 2 49 + n 2 16 Hz 1.5 × 10 8 ⋅ m 2 4 9 × 10 − 6 + n 2 36 × 10 − 6 = 1.5 × 10 11 m 2 49 + n 2 36 Hz 对于 0.7 × 0.4 cm 2 : ν 01 = 37.5 × 10 9 Hz > ν 0 = 30 × 10 9 Hz , ν 10 = 21.4 × 10 9 Hz < ν 0 .
对于 0.7 × 0.6 cm 2 : ν 01 = 25 × 10 9 Hz < ν 0 , ν 10 = 21.4 × 10 9 Hz < ν 0 , ν 11 = 32 . 9 × 10 9 H z > ν 0 .
⇒ ( 1 ) T E 10 , ( 2 ) T E 10 a n d T E 01 6. 波动物理量的时间平均
A B = A ^ + A ^ ∗ 2 B ^ + B ^ ∗ 2
A B = Re [ A ^ e i ω t ] ⋅ Re [ B ^ e i ω t ] = 1 4 ( A ^ e i ω t + A ^ ∗ e − i ω t ) ( B ^ e i ω t + B ^ ∗ e − i ω t ) = 1 4 [ A ^ B ^ e 2 i ω t + A ^ ∗ B ^ ∗ e − i 2 ω t + A ^ ∗ B ^ + A ^ B ^ ∗ ] = 1 2 { Re [ A ^ B ^ e i 2 ω t ] + Re [ A B ∗ ] } 可见当 A, B 的变化时间尺度 τ ≫ t 时, ⟨ A B ⟩ = 1 2 Re [ A B ∗ ] .
7. 三种介质中的 1D电磁波
在介质 2 中的相位变化记为 θ = k → ⋅ Δ x → = ω c / n 2 d , 假设波在介质 2 中反射 n 次(一个来回算一次), 那么:
E o u t , n E i n = T R n 其中, T 是完全透射 1 → 2 → 3 对应的衰减:
T = T 12 e i θ T 23 = 2 n 1 n 1 + n 2 2 n 2 n 2 + n 3 e i θ R 是在介质 2 中传播一个来回的衰减:
R = R 23 e i θ R 21 e i θ = n 2 − n 3 n 2 + n 3 n 2 − n 1 n 1 + n 2 e i 2 θ 于是
E o u t E i n = ∑ n = 0 + ∞ E o u t , n E i n = ∑ n = 0 + ∞ T R n = T 1 − R = 4 n 1 n 2 e i θ ( n 2 + n 3 ) ( n 1 + n 2 ) − ( n 2 − n 3 ) ( n 2 − n 1 ) e i 2 θ 这里, 实际的 E 是上述的实部.
或者, 使用边界条件求解:
E i n T 12 + E 2 − R 21 = E 2 + E i n R 12 + E 2 − T 21 = E r E 2 + e i θ T 23 = E o u t E 2 + e i θ R 23 = E 2 − e − i θ 重新记无量纲复振幅 E i ′ = E i E i n , 上式给出:
[ − 1 n 2 − n 1 n 1 + n 2 0 0 0 2 n 2 n 1 + n 2 − 1 0 e i θ 2 n 2 n 2 + n 3 0 0 − 1 e i θ n 2 − n 3 n 2 + n 3 − e − i θ 0 0 ] [ E 2 + ′ E 2 − ′ E r ′ E o u t ′ ] = [ − 2 n 1 n 1 + n 2 − ( n 1 − n 2 ) n 1 + n 2 0 0 ] MMA 给出一致的结果:
当然, 也可以用最基本的边界条件:
E i n + E r = E 2 + + E 2 − n 1 ( E i n − E r ) = n 2 ( E 2 + − E 2 − ) E 2 + e i θ + E 2 − e − i θ = E o u t n 2 ( E 2 + e i θ − E 2 − e − i θ ) = n 3 E o u t 会得到一样的结果.
8. Drude 模型
(a)
注意到极化强度 P → = N p → = N α E → = ( ϵ r − 1 ) ϵ 0 E → , 得到:
α = ( ϵ r − 1 ) ϵ 0 N = e 2 / m ω 0 2 − ω 2 − i ω γ (b)
当电场驱动和阻尼可以忽略时, ω = γ = 0 :
α 4 π ϵ 0 = e 2 ℏ 2 4 π ϵ 0 m e ( ℏ ω 0 ) 2 ≈ 5.93 × 10 − 31 m 3 (c)
原子极化率可以写作 α = 4 π ϵ 0 a 0 3 , 于是 α 4 π ϵ 0 = a 0 3 ≈ 1.48 × 10 − 31 m 3 与上式处于同一量级.
(d)
对于实数 ω :
k R = n R c ω = 1 c [ ω + ω p 2 2 ω ω 0 2 − ω 2 ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + γ 2 ω 2 ] ∴ ν group c = [ d k R / d ω ] − 1 / c = { [ ω + ω e 2 2 ω ω 0 2 − ω 2 ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + γ 2 ω 2 ] ω ′ } − 1 = { ω p 2 2 ω 0 2 − 3 ω 2 ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + γ 2 ω 2 − ω p 2 2 ω 2 [ 2 γ 2 − 4 ( ω 0 2 − ω 2 ) ] ( ω 0 2 − ω 2 ) [ ( ω 0 2 − ω 2 ) 2 + γ 2 ω 2 ] 2 + 1 } − 1 ⇒ ν g / c = { 1 + 0.003 1 − 3 ( ω ω 0 ) 2 [ 1 − ( ω ω 0 ) 2 ] 2 + 0.01 ( ω ω 0 ) 2 − 0.003 ( ω ω 0 ) 2 [ 0.02 − 4 ( 1 − ( ω ω 0 ) 2 ) ] ( 1 − ( ω ω 0 ) 2 ) { [ 1 − ( ω ω 0 ) 2 ] 2 + 0.01 ( ω ω 0 ) 2 } 2 } − 1 = { 1.00658 − 1 ≈ 0.993 ω = 0.5 ω 0 0.4 − 1 = 2.5 ω = ω 0 1.00598 − 1 ≈ 0.994 ω = 1.5 ω 0 在共振区域附近, 反常色散的群速度超过了光速(为什么? 可以查阅: 反常色散的群速度 ).
有些科普说群速度是能量传播的速度。这是错误的。要记住,群速度只是波包运动的一阶近似而已,并不能完全表述波包的演化。群速度超过光速,并不说明能量/信息超光速,而是在这种情况下,群速度已经失去了意义。
(e)
对于 E → ^ = E → ^ 0 e − k I x e i ( k I x − ω t ) :
透 明 不 透 明 { k I L ≪ 1 透明 k I L ≫ 1 不透明 (f)
n 2 = ε r μ r = μ r ( 1 + N e 2 m ϵ 0 1 ω 0 2 − ω 2 − i ω γ ) | ω 0 = 0 = μ r ( 1 − ω p e 2 ω 2 + i ω γ ) ≈ 1 − ω p e 2 ω 2 + i ω γ (g)
由 ( 7 ) ( 8 ) → σ E = N q e 2 E m τ ⇒ N e 2 m = σ τ , 代入(f) 得到:
n 2 = 1 − σ τ ϵ 0 1 ω ( ω + i / τ ) = 1 − σ / ϵ 0 ω ( ω τ + i ) = 1 − σ / ϵ 0 i ω ( 1 − i τ ω ) (h)
由(g)可知
虚 部 n = { 1 − σ / ϵ 0 ω ( ω τ + i ) } 1 / 2 = { 1 + i σ / ϵ 0 ω ( 1 − i ω τ ) } 1 / 2 = ω ≪ σ / ε 0 ω τ ≪ 1 σ ϵ 0 ω ⋅ e ( i π 4 + k π ) ( 1 − i ω τ ) − 1 2 = ω τ ≪ 1 k = 0 σ 2 ϵ 0 ω ( 1 + i ) ( 1 + 1 2 i ω τ ) ⇒ n I ( 虚 部 ) ≈ σ 2 ϵ 0 ω ( 1 + 1 2 ω τ ) ≈ σ 2 ϵ 0 ω ⇒ k I = n I ω c = μ 0 ϵ 0 ⋅ σ ω 2 ϵ 0 = μ 0 σ ω / 2 ⇒ δ = 1 / k I = 2 / μ 0 σ ω (i)
直接套公式有:
δ = { 6.6 × 10 − 6 f = 10 8 H z 8.56 × 10 − 3 f = 60 H z (j)
根据(9), 高频近似 ω τ ≫ 1 给出:
n 2 = 1 − σ τ ϵ 0 1 ω 2 = 1 − ω p e 2 ω 2 → 1 ω τ ≫ 1 和 ω ≫ ω p e 意味着, 电磁波的时间尺度 1 ω 远小于电子平均碰撞时间 τ , 阻尼效应被忽略, 这导致电磁波的能量不能像课上那样迅速耗散到粒子中(其对应于 ω ≪ ω p e , 与这里不同), 因此波动得以维持和传播.
该式也适用于描述冷等离子体中电磁波的色散关系.
(k)
由 ( j ) 可知, 条件是波的频率足够高/金属足够薄.
9. 介质中的 Maxwell's 方程组
(a)
由 ∇ ⋅ j → + ∂ ρ / ∂ t = 0 得到:
∇ ⋅ j → p + ∂ ρ p / ∂ t = 0 w h e n ∇ ⋅ j → f + ∂ ρ f / ∂ t = 0 而极化体电荷 ρ ρ = − ∇ ⋅ P → , 带入上式得到:
j → p = ∂ P → / ∂ t (b)
同理 ∇ ⋅ j → m + ∂ ρ m / ∂ t = 0 , 磁化电流 j → m = ∇ × m → , 得到:
− ∂ ρ m ∂ t = ∇ ⋅ ∇ × m → = 0 ⇒ ρ m = c o n s t . (c)
∇ ⋅ E → = ρ ϵ 0 ⇒ ∇ ⋅ E → = ( ρ f + ρ m + ρ p ) / ϵ 0 = ( ρ f − ∇ ⋅ p ) / ϵ 0 ⇒ ∇ ⋅ ( ϵ 0 E + p ) = ρ f ⇒ ∇ ⋅ D → = ρ f ∇ × B → μ 0 = J → + ∂ ϵ 0 E → ∂ t ⇒ ∇ × B → μ 0 = J → f + J → m + J → p + ∂ ϵ 0 E → ∂ t = J → f + ∇ × M → + ∂ ( ϵ 0 E → + p → ) ∂ t ⇒ ∇ × ( B → μ 0 − M → ) = J → f + ∂ D → ∂ t ⇒ ∇ × H → = J → f + ∂ D → ∂ t 补充: 没有补充
本来想写点电磁场的拉氏量, 怎么按一般步骤推导得到的来着, 但是大家有期末考试, 助教也有, 所以......
结果放在这里, 拉氏量:
L = − ∑ i m i δ ( x → − x → i ) c 2 γ − 1 4 μ 0 c F α β F α β − j μ A μ c 以及连续性方程:
∂ μ T E . M . f i e l d μ ν = − F μ ν j μ = − f μ 课上讲的四维洛伦兹力:
f μ = F ν μ j ν = m δ ( x → − x → 0 ) d u μ d t = ( 1 c j → ⋅ E → , j → × B → + ρ E → )