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Solução do jackson
Tipologia: Provas
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Dr. Christopher S. Baird University of Massachusetts Lowell PROBLEM: Discuss the conservation of energy and linear momentum for a macroscopic system of sources and electromagnetic fields in a uniform, isotropic medium described by a permittivity ε and a permeability μ. Show that in a straightforward calculation the energy density, Poynting vector, field-momentum density, and Maxwell stress tensor are given by the Minkowski expressions: u =
(ϵ E 2 +μ H 2 ) S = E × H g =μ ϵ E × H T (^) ij =[ϵ Ei E (^) j +μ H (^) i H (^) j −
δ ij (ϵ E 2 +μ H 2 )] What modifications are made if ε and μ are functions of position? SOLUTION: As derived in class, the energy density and energy flux density in linear, low-dispersion, low-loss materials are given by: u =
For linear material, B = μ H and D = ε E so these become: u =
2 +μ H 2
The field-momentum density is given by: g =
v 2 In linear materials, the speed of the waves are given by v =^
so that g =μ ϵ E × H The Maxwell stress tensor describes the electromagnetic momentum flux and is given by:
T (^) ij =[ϵ 0 Ei E (^) j +
μ 0 Bi B (^) j −
δ ij (ϵ 0 E 2
μ 0
2 )] For linear materials, replace the permeability and permittivity of free space with the material's values: T (^) ij =[ϵ Ei E (^) j +
μ Bi B (^) j −
δ ij (ϵ E 2
μ
2 )] Switch out B for H using B = μ H T (^) ij =[ϵ Ei E (^) j +μ H (^) i H (^) j −
δ ij (ϵ E 2 +μ H 2 )] Seeing as all of these equations are position-dependent densities, they automatically take into account the possibility of position-dependent permeabilities and permittivities. We do not need to change anything if ε and μ are functions of position. This is the advantage of working with densities instead of total values.