电磁能量相关问题的探讨及可能应用

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电磁能量的转化、传输和守恒是古老而常新的课题。本文,围绕损耗媒质中电磁能量的转化和传输问题,开展了以下五个方面的研究工作。首先,考虑到存在数种不等价的电磁波存储能量密度和损耗能量密度表达式,这些表达式的正确性、适用性仍有待检验和鉴别,我们提出了一个判断损耗能量密度表达式正确性的判据:坡印廷定理的时间平均形式。在此基础上,讨论了损耗能量密度常用表达式的正确性和适用性。并且表明,不同途径可导出等价的表达式。接着,我们探讨了实验检验电磁波损耗能量密度表达式正确性的可能途径:平面波垂直穿过平板,平板吸收的能量可由反射系数和透射系数唯一地确定,另一方面,也可以利用平板内前向波和后向波的损耗能量密度表达式计算,比较两条途径得到的平板吸收能量值是否相等,可以判断所采用的损耗能量密度表达式的正确性。进一步,我们考察了常用的、色散媒质中的电磁波存储能量密度表达式,发现其推导过程存在数学错误。注意到推导时间平均储能密度和时间平均坡印廷矢量公式的数学过程的异同、以及一个脉冲的时间平均坡印廷矢量是其各分量的时间平均坡印廷矢量之和,我们提出,色散媒质中一个脉冲的时间平均储能密度可取为其所有分量的时间平均储能密度之和。基于上述研究及相关理论,我们发现圆极化波的时间平均储能密度等于零,并且,圆极化波和线极化波的时间平均储能密度与它们的时间平均坡印廷矢量不直接相关,表明能流速度的通常定义需要重新考虑。我们认为相对论能量-动量关系式中的能量对应于电磁输运的能量,提出用能量代替时间平均储能密度来定义能流速度。新的能速定义也为讨论Abraham-Minkowski争论提供了新的途径。最后,我们导出,在阻抗实部为零且波矢虚部不为零的超材料中,波动方程的本征解为局域态。这个特性可望用于实现电磁波的停留和长时间存储。
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