1. 偶極子: 相距為 $l$, 帶電量分別為 $\pm q$ 的一對電荷組成的系統. 稱 $$\bex {\bf m}=q{\bf l} \eex$$ 為電偶極矩, 其中 ${\bf l}$ 為 $-q$ 到 $q$ 的向量.

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2. 取 ${\bf l}$ 為 $z$ 軸, 考慮偶極子的振動: $$\bex {\bf l}(t)=l_0 e^{-i\omega t} {\bf e}_3. \eex$$ 則

(1) ${\bf j}=\rho {\bf v}=\rho\cfrac{\rd {\bf l}}{\rd t}=-i\omega l_0\rho e^{-i\omega t}{\bf e}_3$.

(2) $$\beex \bea &\quad \cfrac{1}{c^2} \cfrac{\p^2{\bf A}}{\p t^2}-\lap{\bf A}=\mu{\bf j}\\ &\ra {\bf A}(t,P) =\cfrac{\mu_0}{4\pi}\int_{r_{P'P}\leq ct} \cfrac{{\bf j}\sex{t-\cfrac{r_{P'P}}{c},P'}}{r_{P'P}}\rd V_{P'}\\ &\quad=-\cfrac{i\mu_0\omega l_0}{4\pi r}e^{-i\omega t+i\frac{\omega r}{c}}\int_{r_{P'P}\leq ct}\rho \rd V_{P'} {\bf e}_3\\ &\quad=-i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}{\bf m}(t)\quad\sex{r\gg l}\\ &\quad\sex{{\bf m}(t)=q{\bf l}(t),\ k=\cfrac{\omega}{c}=\cfrac{2\pi }{cT}:\mbox{ 波數}}. \eea \eeex$$

(3) $$\beex \bea &\quad \cfrac{\p}{\p z}\sex{-i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}m(t)}+\cfrac{1}{c^2}\cfrac{\p \phi}{\p t}=0\quad\sex{Lorentz\mbox{ 條件}}\\ &\ra \cfrac{\p}{\p t} \sez{ \cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t)+\phi }=0\\ &\ra \phi=-\cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t)+\phi_0(x,y,z)\\ &\ra \phi=-\cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}}m(t). \eea \eeex$$

(4) $$\beex \bea {\bf B}&=\rot {\bf A}\\ &=\cfrac{\mu_0ck^2}{4\pi r} e^{ikr}\sex{1-\cfrac{1}{ikr}}{\bf n}\times {\bf m}\quad\sex{{\bf n}=\cfrac{{\bf r}}{r}}. \eea \eeex$$

(5) $$\beex \bea -\cfrac{\p {\bf A}}{\p t} &=i\cfrac{\mu_0\omega}{4\pi r}e^{ikr}\sez{-i\omega {\bf m}}\\ &=\cfrac{\mu_0\omega^2}{4\pi r}e^{ikr}{\bf m}\\ &=\cfrac{k^2}{4\pi \ve_0r}e^{ikr}{\bf m},\\ -\n \phi&=\cfrac{1}{4\pi \ve_0}\n \cfrac{\p}{\p z}\sex{\cfrac{1}{r}e^{ikr}}m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \n \sex{-\cfrac{z}{r^3}e^{ikr}+\cfrac{ikz}{r^2}e^{ikr}}m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \n\sez{ \sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}z }m\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \left[ \sex{\cfrac{3}{r^4}{\bf n} -\cfrac{2ik}{r^3}{\bf n}}e^{ikr}zm +ik\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf n} z m\right. \\ &\quad\quad\left. +\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}\n z m \right]\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0}\sez{ r({\bf n}\cdot{\bf m}) e^{ikr}{\bf n} \sex{\cfrac{3}{r^4}-\cfrac{3ik}{r^3}-\cfrac{k^2}{r^2} }+\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf m} }\\ &=\cfrac{1}{4\pi \ve_0} \sez{ ({\bf n}\cdot{\bf m})e^{ikr} {\bf n}\sex{\cfrac{3}{r^3}-\cfrac{3ik}{r^2}-\cfrac{k^2}{r}} +\sex{-\cfrac{1}{r^3}+\cfrac{ik}{r^2}}e^{ikr}{\bf m} }\\ &=-\cfrac{k^2}{4\pi \ve_0r}({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n} +\cfrac{1}{4\pi\ve_0r} \sex{\cfrac{1}{r^2}-\cfrac{ik}{r}} e^{ikr}\sez{3({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n}-{\bf m}},\\ {\bf E}&=-\n\phi-\cfrac{\p {\bf A}}{\p t}\\ &=\cfrac{k^2}{4\pi\ve_0r}e^{ikr}({\bf n}\times{\bf m})\times {\bf n} +\cfrac{1}{4\pi\ve_0r} \sex{\cfrac{1}{r^2}-\cfrac{ik}{r}} e^{ikr}\sez{3({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n}-{\bf m}}. \eea \eeex$$

(5) 當 $r\ll \lm=cT=\cfrac{2\pi c}{\omega}=\cfrac{2\pi}{k}$ 時, $$\bex {\bf B}=\cfrac{\mu_0ck}{4\pi r^2}{\bf n}\times {\bf m},\quad {\bf E}=\cfrac{1}{4\pi r^3}[3({\bf n}\cdot{\bf m}){\bf n}-{\bf m}]. \eex$$ 而 $B\ll E$, 稱為靜場區 (電場為主).

(6) 當 $r\gg \lm$ 時, $$\bex {\bf B}=\cfrac{\mu_0ck^2}{4\pi r}e^{ikr}{\bf n}\times {\bf m},\quad{\bf E}=c{\bf B}\times {\bf n}. \eex$$ 而為波動場區 (輻射區). 此時, $$\bex E=cB=\cfrac{\mu_0\omega^2m_0}{4\pi r}\sin \tt\sev{\cos\sez{\omega\sex{t-\cfrac{r}{c}}}}. \eex$$ 于是電磁場是以電偶極振子為中心的球面波, 相位為 $\omega\sex{t-\cfrac{r}{c}}$ 相同的各點的場強不一定相同, 還與 $\tt$ 有關. 赤道上, 場強最大.

(7) 電磁能量密度 $$\bex \cfrac{1}{2}\sex{\ve_0E^2+\cfrac{1}{\mu_0}B^2} =\cfrac{\mu_0k^2\omega^2m_0^2}{16\pi r^2}\sin^2\tt\cos^2\sez{\omega\sex{t-\cfrac{r}{c}}}; \eex$$ 能量流密度向量 ${\bf S}$ 方向與 ${\bf r}$ 相同, 大小為 $$\bex S=\cfrac{c\mu_0k^2\omega^2m_0^2}{16\pi^2r^2}\sin^2\tt\cos^2\sez{\omega\sex{t-\cfrac{r}{c}}}; \eex$$ 單位時間內通過以振子為球心, $r$ 為半徑的球面的總能量為 $$\bex P(t)=\int_0^\pi S\cdot 2\pi r\sin \tt\cdot r\rd \tt =\cfrac{1}{6\pi}c\mu_0k^2\omega^2m_0^2\cos^2\sez{\omega\sex{t-\cfrac{r}{c}}}; \eex$$ 單位時間內輻射的平均能量為 $$\bex \bar P=\cfrac{1}{T}\int_0^T P(t)\rd t =\cfrac{1}{12}\mu_0\omega^4m_0^2, \eex$$ 其中 $T=\cfrac{2\pi}{\omega}$.?

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的[物理学与PDEs]第1章第6节 电磁场的标势与矢势 6.3 例 --- 电偶极辐射的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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