Тензор электромагнитного поля

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

Электростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Магнитная индукция Электродинамика Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле Электрическая цепь Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток Известные учёные Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генри Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

Тензор электромагнитного поля — это антисимметричный, дважды ковариантный тензор, являющийся обобщением напряжённости электрического и индукции магнитного поля для произвольных преобразований координат. Он используется для инвариантной формулировки уравнений электродинамики, в частности, с его помощью можно легко обобщить электродинамику на случай наличия гравитационного поля.

Определение

Тензор электромагнитного поля определяется через 4-потенциал по формуле

<math>\mathrm{F}_{\mu \nu} = \frac{\partial A_\nu}{\partial x^\mu} - \frac{\partial A_\mu}{\partial x^\nu}</math>

Хотя он выражается через обычные производные, а не ковариантные, он является тензором относительно произвольных преобразований координат. Это следует из того, что то же выражение можно записать через ковариантные производные:

<math>\mathrm{F}_{\mu \nu} = \frac{\partial A_\nu}{\partial x^\mu} - \frac{\partial A_\mu}{\partial x^\nu} = \nabla_\mu A_\nu - \nabla_\nu A_\mu</math>

Если рассматривать 4-потенциал как 1-форму на пространстве-времени, то тензор электромагнитного поля выражается как внешняя производная

<math>F = \mathbf d A</math>

Отсюда также очевидна его инвариантность.

Свойства

• <math>F_{\mu \nu}</math> — антисимметричный тензор 2-го ранга, имеет 6 независимых компонент.
• Преобразования координат сохраняют два инварианта, следующих из тензорных свойств поля:

<math>\ F^{\mu \nu} F_{\mu \nu} = 2(B^2 - E^2) = inv</math>

<math>\varepsilon^{\mu \nu \sigma \rho}F_{\mu \nu}F_{\sigma \rho} = -4 \left( \mathbf E \cdot \mathbf B \right) = inv</math>

Выражение для компонент

Ковариантные компоненты тензора электромагнитного поля имеют вид

<math>F_{\mu \nu} = \left( \begin{matrix}

0 & E_x & E_y & E_z \\ -E_x & 0 & -B_z & B_y \\ -E_y & B_z & 0 & -B_x \\ -E_z & -B_y & B_x & 0 \end{matrix} \right)</math>

Такая зависимость антисимметричного тензора от двух векторов условно записывается как

<math>F_{\mu \nu} = \left( \mathbf E, \mathbf B \right)</math>

Контравариантные компоненты (в пространстве с метрикой Минковского) имеют вид

<math>F^{\mu \nu} = \left( \begin{matrix}

0 & -E_x & -E_y & -E_z \\ E_x & 0 & -B_z & B_y \\ E_y & B_z & 0 & -B_x \\ E_z & -B_y & B_x & 0 \end{matrix} \right) </math>

что обозначается как

<math>F^{\mu \nu} = \left( -\mathbf E, \mathbf B \right)</math>

Таким образом, оказывается, что векторы электрического и магнитного полей преобразуются в общем случае линейных преобразований не как векторы, а как компоненты тензора типа (0,2). Закон их преобразований при переходе в систему отсчёта, движущуюся со скоростью V вдоль оси X, имеет вид

<math>E_x = E_x^\prime,~~~ E_y = \frac{E_y^\prime + {V \over c} B_z^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}},~~~

E_z = \frac{E_z^\prime - {V \over c} B_y^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}}</math>

<math>B_x = B_x^\prime,~~~ B_y = \frac{B_y^\prime - {V \over c} E_z^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}},~~~

B_z = \frac{B_z^\prime + {V \over c} E_y^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}}</math>

Применение

Непосредственно из определения следует, что

<math>\mathbf d F = 0</math>

В компонентах это выражение принимает вид

<math>\varepsilon_{\mu \rho \nu \sigma}\frac{\partial F_{\mu \rho}}{\partial x^\nu} =

\frac{\partial F_{\mu \rho}}{\partial x^\nu} + \frac{\partial F_{\rho \nu}}{\partial x^\mu} + \frac{\partial F_{\nu \mu}}{\partial x^\rho} = 0</math>

где <math>\varepsilon_{\mu \rho \nu \sigma}</math> — символ Леви-Чивиты для 4-хмерного пространства. Если расписать это выражение через компоненты векторов электрического и магнитного поля, то оно совпадёт с первой парой уравнений Максвелла:

<math>\operatorname{div}\,\mathbf B = 0</math>

<math>\operatorname{rot}\,\mathbf E = - {1 \over c}\frac{\partial \mathbf B}{\partial t}</math>

Вторая пара уравнений Максвелла выражается через тензор электромагнитного поля как

<math>\nabla_\nu F^{\mu \nu} = - \frac{4\pi}{c} j^\mu</math>

где <math>j^\mu</math> — вектор 4-тока.

Также можно записать их через звёздочку Ходжа: <math> d*F=\frac{4\pi}{c} J </math>

Сила Лоренца выражается через вектор 4-скорости частицы и заряд по формуле

<math>\mathcal{F}^\nu = qF^{\mu \nu} u_\mu</math>

См. также

• Тензор энергии-импульса электромагнитного поля

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7.

Отрывок, характеризующий Тензор электромагнитного поля

Древние оставили нам образцы героических поэм, в которых герои составляют весь интерес истории, и мы все еще не можем привыкнуть к тому, что для нашего человеческого времени история такого рода не имеет смысла.
На другой вопрос: как даны были Бородинское и предшествующее ему Шевардинское сражения – существует точно так же весьма определенное и всем известное, совершенно ложное представление. Все историки описывают дело следующим образом:
Русская армия будто бы в отступлении своем от Смоленска отыскивала себе наилучшую позицию для генерального сражения, и таковая позиция была найдена будто бы у Бородина.
Русские будто бы укрепили вперед эту позицию, влево от дороги (из Москвы в Смоленск), под прямым почти углом к ней, от Бородина к Утице, на том самом месте, где произошло сражение.
Впереди этой позиции будто бы был выставлен для наблюдения за неприятелем укрепленный передовой пост на Шевардинском кургане. 24 го будто бы Наполеон атаковал передовой пост и взял его; 26 го же атаковал всю русскую армию, стоявшую на позиции на Бородинском поле.
Так говорится в историях, и все это совершенно несправедливо, в чем легко убедится всякий, кто захочет вникнуть в сущность дела.
Русские не отыскивали лучшей позиции; а, напротив, в отступлении своем прошли много позиций, которые были лучше Бородинской. Они не остановились ни на одной из этих позиций: и потому, что Кутузов не хотел принять позицию, избранную не им, и потому, что требованье народного сражения еще недостаточно сильно высказалось, и потому, что не подошел еще Милорадович с ополчением, и еще по другим причинам, которые неисчислимы. Факт тот – что прежние позиции были сильнее и что Бородинская позиция (та, на которой дано сражение) не только не сильна, но вовсе не есть почему нибудь позиция более, чем всякое другое место в Российской империи, на которое, гадая, указать бы булавкой на карте.
Русские не только не укрепляли позицию Бородинского поля влево под прямым углом от дороги (то есть места, на котором произошло сражение), но и никогда до 25 го августа 1812 года не думали о том, чтобы сражение могло произойти на этом месте. Этому служит доказательством, во первых, то, что не только 25 го не было на этом месте укреплений, но что, начатые 25 го числа, они не были кончены и 26 го; во вторых, доказательством служит положение Шевардинского редута: Шевардинский редут, впереди той позиции, на которой принято сражение, не имеет никакого смысла. Для чего был сильнее всех других пунктов укреплен этот редут? И для чего, защищая его 24 го числа до поздней ночи, были истощены все усилия и потеряно шесть тысяч человек? Для наблюдения за неприятелем достаточно было казачьего разъезда. В третьих, доказательством того, что позиция, на которой произошло сражение, не была предвидена и что Шевардинский редут не был передовым пунктом этой позиции, служит то, что Барклай де Толли и Багратион до 25 го числа находились в убеждении, что Шевардинский редут есть левый фланг позиции и что сам Кутузов в донесении своем, писанном сгоряча после сражения, называет Шевардинский редут левым флангом позиции. Уже гораздо после, когда писались на просторе донесения о Бородинском сражении, было (вероятно, для оправдания ошибок главнокомандующего, имеющего быть непогрешимым) выдумано то несправедливое и странное показание, будто Шевардинский редут служил передовым постом (тогда как это был только укрепленный пункт левого фланга) и будто Бородинское сражение было принято нами на укрепленной и наперед избранной позиции, тогда как оно произошло на совершенно неожиданном и почти не укрепленном месте.
Дело же, очевидно, было так: позиция была избрана по реке Колоче, пересекающей большую дорогу не под прямым, а под острым углом, так что левый фланг был в Шевардине, правый около селения Нового и центр в Бородине, при слиянии рек Колочи и Во йны. Позиция эта, под прикрытием реки Колочи, для армии, имеющей целью остановить неприятеля, движущегося по Смоленской дороге к Москве, очевидна для всякого, кто посмотрит на Бородинское поле, забыв о том, как произошло сражение.