麦克斯韦方程证明真空平面波电场与磁场的关系:E = -2πVkB
麦克斯韦方程描述了电磁波的传播行为,其中E表示电场强度,B表示磁感应强度,k表示波数,V表示传播速度。
根据麦克斯韦方程,我们有:
∇×E = - ∂B/∂t (1) ∇×B = με∂E/∂t (2)
其中∇×表示旋度运算符,μ表示真空中的磁导率,ε表示真空中的电介质常数。
我们要证明的是真空中传播的平面波满足E=-2πVkB,即电场强度与磁感应强度成正比。
首先,我们假设平面波沿着z方向传播,且电场强度和磁感应强度只有z方向的分量,即E = E_z和B = B_z。
然后,我们可以将E_z和B_z写成复数形式,即E_z = E_0e^(i(kz-ωt))和B_z = B_0e^(i(kz-ωt)),其中E_0和B_0为振幅,ω为角频率。
将上述假设代入麦克斯韦方程中的(1)式和(2)式,并忽略空间导数,我们可以得到:
-iωE_0 = -iωB_0/με (3) -iωB_0 = iωE_0/με (4)
由(3)式和(4)式可以解得:
E_0 = B_0/με (5)
将(5)式代入(3)式或(4)式,我们可以得到:
E_0 = -iωB_0/με (6) B_0 = iωE_0/με (7)
将(6)式和(7)式代入E_z和B_z的复数形式,我们可以得到:
E_z = E_0e^(i(kz-ωt)) = -iωB_0/μεe^(i(kz-ωt)) = -iωB_z/με (8) B_z = B_0e^(i(kz-ωt)) = iωE_0/μεe^(i(kz-ωt)) = iωE_z/με (9)
由(8)式和(9)式可知,E_z和B_z成正比,且比例系数为-iω/με。
因此,我们可以得到E = -iωB/με,即E与B成正比。
由于真空中的电磁波传播速度V = ω/k,我们可以将E = -iωB/με写成E = -2πVkB。
综上所述,我们利用麦克斯韦方程证明了真空中传播的平面波满足E = -2πVkB。

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