В чем физический смысл вектора умова (3 видео)

Теорема Умова-Пойтинга

Плотность энергии электрического поля определяется

Плотность энергии магнитного поля имеет вид .

Плотность энергии электромагнитного поля может быть представлена как .

Энергия электромагнитного поля в объеме

Вектор Пойнтинга —вектор, равный векторному произведению напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля, поток которого сквозь некоторую поверхность, представляет собой мгновенную электромагнитную мощность, передаваемую сквозь эту поверхность.

Вектор Пойнтинга характеризует величину и направление энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади в направлении вектора Пойнтинга (рис.1.13).

Теорема Умова‒Пойтинга математически выражает закон сохранения энергии в электромагнитном поле.

Рис.1.13. Вектор Пойнтинга

Выделим в переменном электромагнитном поле некоторый объем V, ограниченный поверхностью S. Внутри выделенного объема могут оказаться частично или полностью источники и приемники электрической энергии в любых сочетаниях. Будем считать среду однородной и изотропной. Электромагнитное поле внутри объема описывается системой уравнений Максвелла:

, (1.8)

, ( 1.9)

. ( 1.10)

Здесь — вектор стороннего электрического поля (внутри источников электрической энергии).

Умножим скалярно уравнение (1.8) на а уравнение (1.9) на , и вычтем почленно левые и правые части уравнений:

Из курса математики известно, что

Преобразуем правые части уравнения. Из закона Ома (1.9) следует:

;

После преобразования получим:

Проинтегрируем все члены полученного уравнения по выделенному объему V:

Преобразуем левую часть по теореме Остроградского -Гаусса:

— мощность тепловых потерь или потребляемая мощность в заданном объеме, эта мощность всегда положительна;

— мощность источников энергии внутри объема, эта мощность отрицательна, если векторы и совпадают, и положительна, если эти векторы не совпадают;

— мощность электромагнитного поля в объеме — она положительна, если идет процесс накопления энергии в объеме, и отрицательна, если идет процесс возврата энергии.

Таким образом, после принятых обозначений теорема Умова-Пойтинга получит вид:

Скорость изменения электромагнитной энергии, запасенной в объеме, равна сумме потока мощности через поверхность, ограничивающую этот объем, и мощности, поглощаемой или выделяемой протекающими в объеме токами.

1. В общем случае величина вектора Умова-Пойнтинга и дивергенция вектора Умова-Пойнтинга говорит только о наличии внутри выделенного объема электрических и магнитных полей. Наличие или отсутствие излучения показывает не дивергенция вектора Умова-Пойнтига, а только баланс энергии, согласно общему закону сохранения энергии.

2. Физический смысл «потока вектора Умова-Пойнтинга» в общем виде не определяет наличие излучения или поглощения электромагнитной энергии. Физический смысл имеет только поток вектора Умова-Пойнтинга в случае если магнитный поток В,входящий в уравнение Умова-Пойнтинга, создан в результате электрических токов при движении электрических зарядов под действием электрического поля, также входящего в то же самое уравнение. Другими словами, если магнитное поле существует независимо от внешнего электрического поля (например, для постоянных магнитов), то в этом случае теорема Умова-Пойнтинга недействительна. И поток вектора Умова-Пойнтинга в этом случае ничего не определяет, кроме наличия в выделенном объеме совместно отдельного электрического поля и отдельного магнитного поля.

Дата добавления: 2017-08-01 ; просмотров: 824 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Содержание

4. 3. 018 Поток энергии Умова
Вектор Пойнтинга (вектор Умова — Пойнтинга)
Определение
Величина вектора Умова — Пойнтинга
Вектор Умова — Пойнтинга плоской электромагнитной волны
Примеры задач с решением
📹 Видео

Видео:Вектор Умова-Пойнтинга ● 2Скачать

4. 3. 018 Поток энергии Умова

4.3.018 Поток энергии Умова
(к сожалению, формулы воспроизводятся не точно)

Физик, философ, педагог, лектор, пропагандист, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Новороссийского и Московского университетов, Московского технического училища; почетный доктор Глазговского университета; основатель (совместно с П.Н. Лебедевым) Физического института при Московском университете; президент Московского общества испытателей природы, председатель Московского педагогического общества, товарищ председателя «Общества содействия успехам опытных наук и практических применений им. Х.С. Леденцова»; издатель и главный редактор журнала «Научное слово» — Николай Алексеевич Умов (1846—1915) является автором учения о движении энергии в телах, базового понятия в новейшей физике — потока энергии, т.н. вектора Умова.

Умов — первооткрыватель классической формулы общего уравнения движения энергии.

Человечество с каждым годом все больше нуждается в энергии — механической, тепловой, химической, электрической, ядерной. Все эти формы энергии, трансформируясь друг в друга, дают совокупность энергетических процессов, без которых не обойтись ни обывателям, ни ученым. Последних всегда интересовал вопрос — каким образом происходит эта трансформация и как повысить ее к.п.д.

Схематично это выглядит так. В замкнутый объем через поверхность поступает первичная энергия, а затем выходит преобразованная (разумеется, в рамках закона сохранения энергии). Плотность потока энергии (Su) при этом ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет.

Этот термин — плотность потока энергии ввел в начале 1870-х гг. русский физик Н.А. Умов, опубликовавший несколько работ о движении энергии, в которых развил представления о плотности энергии в данной точке среды, скорости и направлении движения энергии, о локализации потока энергии в пространстве.

Ученый составил дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидких телах, интегрируя которые и применяя к распространению волн в упругой среде, пришел к заключению, что энергия целиком переносится волной от одной точки к другой.

«Количество энергии, проходящей через элемент поверхности тела в единицу времени, равно силе давления или натяжения, действующей на этот элемент, умноженной на скорость движения элемента» — этот вывод называется теоремой Умова.

Уравнение непрерывности в свободном пространстве для движущихся упругих сред и вязких жидкостей имеет вид:

dw/dt + div Su = 0,

где Su = wv; w — плотность энергии; v — скорость движения среды.

После защиты ученым в 1874 г. докторской диссертации «Уравнения движения энергии в телах» Su принято называть в нашей стране вектором Умова.

В 1884 г. английский физик Д. Пойнтинг, независимо от Умова и ничего не зная о трудах русского ученого, получил подобное выражение для частного случая — электромагнитного поля (поперечных электромагнитных волн). На Западе без особых рефлексий вектор Умова переименовали в вектор Пойнтинга (Sp).

Sp = [E ; H]; E и H — напряженности электрического и магнитного полей.

Сам Умов, кстати, отмечал, что его выводы применимы и в электромагнитных полях.

Необходимо различать принципиальную разницу между этими понятиями — Su и Sp. Вектор Пойнтинга можно рассматривать только применительно к электромагнитным полям, тогда как вектор Умова применим ко всем силовым полям без исключения, поскольку сами уравнения движения энергии получены Умовым для движения любого вида энергии, происходящего в любой среде, т.е. носят самый общий характер.

Не прибегая к выкладкам, заметим еще, что вектор Умова Su описывает конвективный перенос энергии из одной точки пространства в другую, в частности, полем движущегося заряда; а вектор Пойнтинга связан лишь с переносом энергии электромагнитными волнами.

Труды Умова своей математической сложностью представляли «крепкий орешек» для российских и зарубежных коллег Николая Алексеевича. Утверждали даже, что они «лишены какого бы то ни было научного смысла и представляют собой… простой набор математических формул». Раскусили их не сразу, но, раскусив, буквально растащили на цитаты, при этом не всегда озвучивая автора.

Так было и в других случаях. Когда Умов показал свою блестящую работу «О стационарном движении электричества на проводящих поверхностях произвольного вида» немецкому физику Г. Кирхгофу, тот тут же умыкнул главные положения этого исследования и опубликовал их под своим именем (не забыв, правда, упомянуть и русского ученого).

Фактически то же самое произошло и со знаменитой формулой E = mc2, которую русский физик получил лет за тридцать до А. Эйнштейна — опять же как общий случай для волновых процессов в упругих средах. (Умов вывел соотношение между энергией волновых полей и их инерцией: dE = c2dm).

Но вернемся к вектору и к области его применения. Надо сказать, что область эта — широчайшая, как в науке, так и в технике. Без вектора Умова не обойтись при освоении нового вида энергии (скажем, термоядерной), при разработке сложного и дорогостоящего технического устройства (ТОКОМАК).

35 лет назад, в преддверии глобального мирового энергетического кризиса из-за исчерпания природных энергетических ресурсов, П.Л. Капица в одном из своих докладов, посвященных энергетической проблеме, обосновывая свои положения в выборе того или иного вида энергии, оперировал только вектором Умова.

Рассматривая альтернативные способы получения энергии, академик подчеркивал удобство вектора Умова для изучения процессов преобразования энергии. При этом Капица привел примеры, как с помощью этого вектора определяют предельную мощность мотора или турбины; мощность трансмиссии ременной передачи; предельную мощность, передаваемую лентой в генераторе типа Ван-де-Граафа; предельную мощность в газовых, химических элементах, в солнечных батареях, геотермальных источниках; как находят предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет и т.д.

К сказанному Капицей можно добавить, что вектор Умова применяют для проектирования электромагнитных излучателей и направляющих систем в радиоэлектронной аппаратуре, для расчета энергетических характеристик антенн, в частности, сопротивления излучения выпускных самолетных антенн.

Вектор необходим при определении оптимальной аэродинамической конструкции летательного аппарата в поле скоростей. В процессах и аппаратах химических технологий его используют для составления детерминированных и идеальных математических моделей. В электротехнике с его помощью определяют внутреннее активное и реактивное сопротивление проводника. И т.д. и т.п.

«Представления Умова о движении и распределении энергии в средах, о ее потоке, скорости и направлении являются общепризнанными в современной физике. Они прочно завоевали себе место в таких ее разделах, как теория поля, электродинамика, оптика, акустика, гидродинамика… Именно Умов изложил очень ценную идею об универсальности всех силовых взаимодействий в природе» (профессор А.Л. Шаляпин).

Видео:Вектор Умова-Пойнтинга ● 1Скачать

Вектор Пойнтинга (вектор Умова — Пойнтинга)

Перенос энергии бегущей упругой и электромагнитной волной определяют при помощи вектора, который называют вектором потока энергии. Этот вектор обозначим как $overline ~~$(встречается обозначение $overline~~

$) Он показывает количество энергии, протекающее в волне за единицу времени через единицу площади поперечного сечения волны. Для электромагнитных волн данный вектор был введен Пойнтингом в 1884 г. Скорость переноса энергии при помощи вектора Пойнтинга не изменяется и равна характеристической скорости распространения электромагнитной волны в пространстве. Сейчас данный вектор ($overline~~$) называют вектором Умова — Пойнтинга.~~

~~Видео:Зачем нужен ВЕКТОР. Объяснение смыслаСкачать~~

Определение

Вектором Умова — Пойнтинга ($overline~~$) называют физическую величину, определяющую поток энергии электромагнитного поля, который равен:~~

где $overline$ — напряженность электрического поля; $overline$ — напряженность магнитного поля. Направлен $overline~~$ перпендикулярно $overline$ и $overline$ и совпадает с направлением распространения электромагнитной волны.~~

~~Видео:Вектор Умова-Пойнтинга ● 4Скачать~~

Величина вектора Умова — Пойнтинга

Правая часть формулы (1) представляет собой векторное произведение векторов, значит, величина вектора Умова — Пойнтинга для электромагнитной волны равна:

где $alpha $ — угол между векторами $overline$ и $overline$, но $overlinebot $ $overline$, следовательно, получаем для электромагнитной волны:

~~Вектор $overline ~~$удовлетворяет в свободном пространстве уравнению непрерывности:~~~~

~~где $w$ — объемная плотность энергии электромагнитного поля.~~

~~Видео:Физический смысл производной с НУЛЯ /подробно и легкоСкачать~~

Вектор Умова — Пойнтинга плоской электромагнитной волны

~~В случае плоской электромагнитной волны величина вектора $overline~~$ равна:~~~~

где $u$ $=frac<sqrt<_0mu varepsilon _0>>$- фазовая скорость распространения электромагнитного возмущения в веществе с диэлектрической проницаемостью $varepsilon $ и магнитной проницаемостью $mu .$

~~где $c$ — скорость света в вакууме.~~

Мгновенные величины напряженности магнитного и электрического полей в рассматриваемой волне связаны соотношением:

~~выразим напряженность $H$:~~

~~Учитывая формулу (8) величину вектора $overline~~$ запишем как:~~~~

~~В изотропном веществе объемную плотность энергии электромагнитного поля найдем как:~~

~~Учитывая формулы (6) и (10) запишем еще одно выражение для величины вектора $overline$:~~

На практике переходят от мгновенных величин к их средним значениям. Для плоской электромагнитной волны средняя величина по времени вектора Умова — Пойнтинга равна:

~~Модуль величины $left|_tright|$ называют интенсивностью ($I$) электромагнитной волны:~~

Направление вектора Умова — Пойнтинга показывает направление движения энергии в электромагнитном поле. Если изобразить линии, касательные к которым в любой точке совпадут с направлениями вектора $overline~~$, то такие линии будут являться путями распространения энергии электромагнитного поля. В оптике это лучи.~~

~~Видео:Вектор Умова-Пойнтинга ● 3Скачать~~

Примеры задач с решением

Задание. На рис.1 изображен вектор фазовой скорости плоской электромагнитной волны. В какой плоскости расположены векторы $overline$ и $overline$ полей этой волны?

Решение. Основой решения нашей задачи будем считать определение вектора $overline$:

Вектор $overline$ является результатом векторного произведения векторов$overline$ и $overline$, он направлен в сторону распространения электромагнитной волны, следовательно, $overlineuparrow uparrow overline$, для рис.1 вектор Умова — Пойнтинга направлен по оси Z. Значит, векторы $overlineи overline$ лежат в плоскости XOY.

Ответ. XOY

Задание. Запишите модуль среднего вектора Умова — Пойнтинга электромагнитной волны: $overline=E_0 $Считайте, что волна распространяется в вакууме по оси X.

Решение. Модуль вектора Умова — Пойнтинга для электромагнитной волны:

где $E$ и $H$ — мгновенные значения электрического и магнитного полей. Мгновенное значение вектора Умова — Пойнтинга будет равно:

~~[S=EH=E_0H_0<^2 left(omega t-kxright)(2.2), >]~~

~~где $H_0$ — амплитуда колебаний напряженности магнитного поля.~~

~~Средняя величина $_t$ может быть найдена:~~

~~принимая во внимание, что $<leftlangle <^2 left(omega t-kxright) >rightrangle >_t=frac$, для вакуума имеем:~~