Poyntingin teoreema
From Wikipedia, the free encyclopedia
From Wikipedia, the free encyclopedia
Poyntingin teoreema on sähkömagneettisen energian säilymislaki, joka on nimetty löytäjänsä John Henry Poyntingin mukaan. Poynting julkaisi teoreeman vuonna 1884. Myös Oliver Heaviside johti vastaavan teoreeman itsenäisesti, mutta julkaisi tuloksensa Poyntingia myöhemmin.[1] Teoreema on muodoltaan jatkuvuusyhtälö, ja sen mukaan tiettyyn tilavuuteen varastoituneen sähkömagneettisen energian muutos vastaa sähkömagneettisen kentän varausjakaumaan tekemän työn ja tilavuuteen virtaavan energiavuon summaa.
Poyntingin vektori on teoreemassa esiintyvä suure, joka kuvaa sähkömagneettisen kentän energiavuon suuntaa ja suuruutta, eli sähkömagneettisten aaltojen kuljettamaa energiaa pinta-alayksikön läpi yhdessä aikayksikössä. Energiavuon SI-yksikkö on watti per neliömetri (W/m2). Poyntingin vektori saadaan sähkö- ja magneettikenttien tulona, mikä tarkoittaa että sähkö- tai magneettikenttä ei yksinään voi kuljettaa energiaa, vaan siihen tarvitaan molemmat kentät. Sähkömagneettisen tasoaallon Poyntingin vektori osoittaa aallon etenemissuuntaan.
Poyntingin vektorin avulla voidaan esimerkiksi kuvata miten pariston tuottama sähkömagneettinen energia kulkee virtapiirissä paristosta vastukseen, jossa se muuttuu lämpöenergiaksi. Energia ei kulje johtimia pitkin, vaan virtapiiriä ympäröivässä sähkömagneettisessa kentässä.
Poyntingin vektorin avulla voidaan myös kuvata sähkömagneettisen kentän kantamaa liikemäärää, ja erityisesti sen absorption kappaleeseen aiheuttamaa säteilypainetta.
Sähkömagneettinen kenttä, joka koostuu sähkökentästä ja magneettikentästä , kohdistaa varausjakaumaan Lorentzin voiman
missä on varausjakauman liikkeeseen liittyvä sähkövirran tiheys ja on varausjakauman nopeutta kuvaava vektorikenttä. Koska magneettikenttä ei tee työtä, yksinkertaistuu sähkömagneettisen kentän varausjakaumaan tekemän mekaanisen työn teho (tilavuuselementtiä kohden) muotoon
Ampèren-Maxwellin lain mukaan sähkövirta vastaa kuitenkin magneettivuon tiheyden roottorin ja sähkökentän aikaderivaatan erotusta, joten teho voidaan kirjoittaa myös muotoon
missä yhtälön oikea puoli ei sisällä suoraa viittausta varausjakaumaan vaan ainoastaan sähkö- ja magneettikenttiin.[2]
Yllä olevan yhtälön oikea puoli sisältää kaksi termiä, joista jälkimmäinen voidaan kirjoittaa aikaderivaattana, sillä
Myös ensimmäisestä termistä voidaan erottaa aikaderivaattaa kuvaava osa. Tähän tarvitaan vektori-identiteettiä[3]
Saatuun yhtälöön voidaan vielä soveltaa Faradayn lakia, jonka mukaan sähkökentän roottori vastaa magneettikentän aikaderivaattaa.
Näin saadaan Poyntingin teoreeman differentiaalimuoto
missä yhtälön vasemmalla puolella esiintyvä suure
voidaan tulkita sähkömagneettisen kentän sisältämäksi energiaksi, sillä se on yksinkertaisesti summa sähkö- ja magneettikenttien erikseen sisältämistä energioista.[2] Yhtälön oikealla puolella esiintyvä suure
tunnetaan nimellä Poyntingin vektori. Se kuvaa sähkömagneettisen kentän energiavuota. Poyntingin teoreema on energian säilymislain erikoistapaus, joka kuvaa sähkömagneettisen kentän tekemää työtä, ja sitä miten energia virtaa sähkömagneettisessa kentässä.
Koska Poyntingin vektori ei esiinny Poyntingin yhtälössä suoraan vaan ainoastaan divergenssinä , voidaan siihen periaatteessa lisätä pyörrevirtoja, jotka voidaan esittää jonkin vektorikentän roottorina ja teoreema pysyy voimassa. Yhteensopivuus suhteellisuusteorian periaatteiden kanssa rajoittaa Poyntingin vektorin vapautta, mutta ei poista sitä kokonaan. Poyntingin vektori ei kuitenkaan ole havaittava suure, joten tämä mielivaltaisuus ei ole ongelma.[2]
Sähkömagneettisen säteilykvantin eli fotonin liikemäärä ja energia ovat suoraan verrannollisia toisiinsa:
missä p on liikemäärän suuruus, E on fotonin energia ja c on valonnopeus. Vastaavasti myös sähkömagneettisen kentän liikemäärätiheys on suoraan verrannollinen Poyntingin vektoriin,
Energiavuon lisäksi Poyntingin vektorin avulla voidaan siis kuvailla sähkömagneettiseen kenttään liittyvää liikemäärävuota. Koska sähkömagneettinen säteily kantaa liikemäärää, aiheuttaa sen absorboituminen kappaleeseen säteilypaineen.
Yllä oleva johto on esitetty Maxwellin yhtälöiden mikroskooppisen muotoilun avulla, jossa ei käytetä mitään tiettyä mallia aineen rakenteelle. Poynting itse kuitenkin esitti teoreemansa makroskooppisten kenttien ja avulla. Poyntingin vektori saa tällöin muodon