先に学ぶ内容電気振動と電磁波静電気力と電場

マクスウェル方程式と光の速さ

電気と磁気の4⁠本の式から、真空を進む波を導く。振幅のちがう2⁠つの電磁波が、同じ位置から同時に進む。

電場の振幅を2⁠倍にすると、波の速さは何倍か?

式から現象を説明する

  1. 1閉曲面を通る電束を求める∮ E · dS=⁠Qε₀……
  2. 2小さな箱から出る正味の電束を、体積で割る∇ · E=⁠ρε₀……
  3. 3閉曲面を通る磁束から、磁場の発散を求める∇ · B=⁠0……
  4. 4電磁誘導の法則を、電場の回転で表す∇ × E=⁠−∂B∂t……
  5. 5定常電流がつくる磁場を回転で表す定常電流のとき:∇ × B=⁠μ₀ J……
  6. 6定常電流の式を充電中にも使い、矛盾を見つける∇ · (∇ × B)= 0 ≠μ₀ ∇ · J……
  7. 7変位電流密度を足し、時間変化する場合へ広げる∇ × B=⁠μ₀ J+⁠μ₀ ε₀ ∂E∂t……
  8. 8真空で、電場の式にもう一度回転をとる∇ × (∇ × E)=⁠−μ₀ ε₀ ∂²E∂t²……
  9. 9ベクトルの公式で、波動方程式にする∂²E∂t²=⁠(1μ₀ε₀) ∇²E……
  10. 10振幅を文字A⁠で表し、波動方程式に代入するEy = A f(x − c t):c は A によらない……
  11. 11分極の効果を誘電率ε⁠に含め、波の速さを求めるv=⁠1√(ε μ₀)=⁠c√εr……
  12. 発展:格子での計算とエネルギー
  13. 12格子の上で解いてみる∂Bz∂t = −∂Ey∂x⁠,∂Ey∂t = −c² ∂Bz∂x……
  14. 13電磁波のエネルギーの流れを求めるS = E × Bμ₀⁠、|S| = ε₀ c |E|²(真空の進行平面波)……