預判教授下一步變形。
昨天那種漏鬥一般什麼都裝不下的絕望狀態,像一場低燒後的噩夢,退了下去。
這一次推導,是從完整麥克斯韋方程組出發。
在假設空間中沒有自由電荷和傳導電流的條件下,對法拉第定律兩邊同時取旋度。
利用經典向量微積分恒等式,將一階旋度方程,轉化為描述電場和磁場在空間中傳播的二階偏微分波動方程。
這條路,江臨以前走過。
但這次重走,明顯踩得更穩。
公式變成描述場在空間中震蕩傳播的實體語言。
推導異常順利。
不過,當課程推進到電磁波的能量傳播時,他那支筆又懸停在半空。
視頻裡出現幾個重要物理量。
坡印廷矢量,能流密度,電磁場能量密度。
這些表達式,江臨能隨手寫出來。
電場能量密度,磁場能量密度,真空中的電磁波攜帶能量和動量,在空間中傳播。
他還清楚一個反常識的物理學論斷。
很多工程情況下,能量傳輸絕對不是像水流一樣,沿著導線內部老老實實從電源流向負載。
那種粗糙的水管模型,根本無法解釋高頻電磁學現象。
真正攜帶能量的,是導線周圍那看不見摸不著的空間電磁場。
第四次廢土裡,他甚至寫過一句自己當時很滿意的話。
【正午的太陽光跨越一億五千萬公裡落到太陽能板麵上,那龐大的能量是在真空的電磁場中無聲傳播的;光子激發電荷,電荷在半導體PN結的耗儘層裡被分離;最終,那些電流才沿著粗糙銅線路,涓涓流入蓄電池,點亮這片廢土的黑夜。】
從經典物理角度看,這句話到現在仍然沒錯。
可是今天,當江臨再次麵對屏幕上這些能量公式時,他突然發現,內心深處對這種描述產生了某種強烈不滿足。
手機屏幕上,教授正在推導電磁場能量守恒定律,也就是坡印廷定理。
教授從麥克斯韋方程組出發,拿代表電場的方程點乘電場,拿代表磁場的方程點乘磁場,經過繁瑣但嚴密的矢量代數整理,最終得出一個優美的局域能量守恒方程。
這個方程揭示了局域空間內電磁場能量密度的變化,加上流出該區域的能流散度,對應電磁場對區域內帶電粒子所做的功。
這是完美的能量守恒表達。
江臨跟著教授,一步不差推到最後。
然後,筆尖停在最後那幾個字上。
【場能量密度。】
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他會算,會用,也知道這些公式在工程計算裡非常好用。
但他腦子裡,瘋狂地想問一個甚至有些鑽牛角尖的問題。
這股能量,到底以什麼物理形式,儲存在那片看似空無一物的真空裡?
江臨知道問這種問題有風險。
在沒有實驗數據支撐時,物理學追問很容易腳底打滑,摔進空泛的古代哲學詭辯裡。
所以,他強行把這個大問題拆成幾個具體對照組。
【案例一:彈簧勢能。能量儲存在被拉伸的彈簧裡,因為彈簧發生宏觀幾何形變,本質是金屬晶格內部原子間相互作用勢變化。載體具體。】
【案例二:電容器儲能。可以從外部電源充電做功算出,也可以寫成對兩極板間空間電場能量密度的積分。】
【案例三:電感線圈儲能。可以從電源抵抗自感電動勢建立電流所需做功算出,也可以寫成對空間磁場能量的積分。】
【案例四:坡印廷定理。它直接由麥克斯韋方程組推出,是局域能量守恒的必然形式。】
寫到這裡,江臨忽然停住。
如果期末考試卷上有一道題,問電容器能量轉換,他會算。
問天線發射電磁波的能流密度,他也會算。
甚至問一段帶電阻的普通導線,周圍能量如何從空間中滲入導線內部變成焦耳熱,他也能用坡印廷矢量方向推導清楚。
但他心裡卡住的,不是這些表層計算技巧。
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