Кіріспе
Классикалық электромагнетизмдегі теорема Классикалық электромагнетизмдегі өзара әрекеттестік теоремалары Классикалық электромагнетизмде өзара әрекеттестік - белгілі бір шектеулер бойынша уақытқа инвариант сызықтық орта үшін Максвелл теңдеулеріндегі уақытқа гармоникалық электр тогы тығыздықтарының (көздерінің) және нәтижесінде пайда болған электромагниттік өрістердің алмасуын қамтитын көптеген байланысты теоремаларды білдіреді. Өзаралық электромагнетизмге қолданылатын сызықтық алгебрадан симметриялық операторлар тұжырымдамасымен тығыз байланысты. Мүмкін, ең көп таралған және жалпы теорема - Лоренц өзаралығы (және оның әр түрлі арнайы жағдайлары, мысалы, Рейли Карсонның өзаралығы), 1896 жылы Хендрик Лоренцтің еңбегі бойынша аталған, Лорд Рейлидің дыбыс және Гельмгольцтің жарығы туралы ұқсас нәтижелері бойынша (Поттон, 2004). Бұл ретте, егер ток орналастырылған және өріс өлшенген нүктелерді алмастырсақ, тербелісті ток пен электр өрісінің арасындағы байланыс өзгермейді. Электр желісінің нақты жағдайы үшін кейде желідегі әртүрлі нүктелердегі кернеулер мен токтарды өзара алмастыруға болатындығы туралы мәлімдеме ретінде айтылады. Техникалық тұрғыдан алғанда, бірінші контурдың екінші контурға байланысты өзара кедергісі екінші контурдың бірінші контурға байланысты өзара кедергісімен бірдей. Өзара тиімділік оптикада пайдалы, ол (кванттық әсерлерден басқа) классикалық электромагнетизм, сонымен қатар радиометрия тұрғысынан да білдірілуі мүмкін. Электростатикада Гриннің өзаралығы деп аталатын, электр потенциалы мен электр зарядының тығыздығын өзара алмасуды байланыстыратын ұқсас теорема да бар. Өзаралық теоремалардың түрлері көптеген электромагниттік қолданбаларда, мысалы, электр желілерін және антенна жүйелерін талдауда қолданылады. Мысалы, өзара қарым-қатынас антенналардың таратушылар мен қабылдаушылар сияқты бірдей жұмыс істейтінін, атап айтқанда антеннаның сәулелену және қабылдау үлгілері бірдей екенін білдіреді. Өзаралық - бұл электромагниттік жүйелер туралы басқа теоремаларды дәлелдеу үшін қолданылатын негізгі лемма, мысалы, импеданс матрицасы мен шашырау матрицасының симметриясы, Грин функцияларының симметриясы шекаралық элемент пен трансферт матрицасының есептеу әдістерінде, сондай-ақ толқын жетектері жүйелеріндегі гармоникалық режимдердің ортогоналдылық қасиеттері (осы қасиеттерді тікелей eigen операторларының симметриясынан дәлелдеудің баламасы ретінде).
reciprocity theorems in classical electromagnetism
In classical electromagnetism, reciprocity refers to a variety of related theorems involving the interchange of time harmonic electric current densities (sources) and the resulting electromagnetic fields in Maxwell's equations for time invariant linear media under certain constraints. Reciprocity is closely related to the concept of symmetric operators from linear algebra, applied to electromagnetism. Perhaps the most common and general such theorem is Lorentz reciprocity (and its various special cases such as Rayleigh Carson reciprocity), named after work by Hendrik Lorentz in 1896 following analogous results regarding sound by Lord Rayleigh and light by Helmholtz (Potton, 2004). Loosely, it states that the relationship between an oscillating current and the resulting electric field is unchanged if one interchanges the points where the current is placed and where the field is measured. For the specific case of an electrical network, it is sometimes phrased as the statement that voltages and currents at different points in the network can be interchanged. More technically, it follows that the mutual impedance of a first circuit due to a second is the same as the mutual impedance of the second circuit due to the first. Reciprocity is useful in optics, which (apart from quantum effects) can be expressed in terms of classical electromagnetism, but also in terms of radiometry. There is also an analogous theorem in electrostatics, known as Green's reciprocity, relating the interchange of electric potential and electric charge density. Forms of the reciprocity theorems are used in many electromagnetic applications, such as analyzing electrical networks and antenna systems. For example, reciprocity implies that antennas work equally well as transmitters or receivers, and specifically that an antenna's radiation and receiving patterns are identical. Reciprocity is also a basic lemma that is used to prove other theorems about electromagnetic systems, such as the symmetry of the impedance matrix and scattering matrix, symmetries of Green's functions for use in boundary element and transfer matrix computational methods, as well as orthogonality properties of harmonic modes in waveguide systems (as an alternative to proving those properties directly from the symmetries of the eigen operators).
Жер бетін жою
Лоренцтің өзаралығы теоремасының оң жағындағы беттік терминдердің жойылуы, бүкіл кеңістікте интеграция үшін, мүлдем анық емес, бірақ оны бірнеше жолмен алуға болады. Жер бетіндегі интегралды қатаң өңдеу өзара әсерлесетін толқын өрісі күйлерінің себептілігін ескереді: шексіз кездегі жер бетіндегі интегралдық үлес тек екі себепті толқын өрісінің уақыт ығысуы өзара әрекеттесуі үшін жоғалады (уақыт арақатынасы өзара әрекеттесуі нөлдік емес үлес қосуға әкеледі). Тағы бір қарапайым аргумент - бұл өрістер жергілікті көз үшін шексіз нөлге барады, бірақ бұл аргумент жоғалтусыз орта жағдайында сәтсіз болады: сіңіру болмаған жағдайда сәулелену өрістері қашықтыққа кері тепе-теңдей ыдырайды, бірақ интегралдың бет ауданы қашықтықтың квадратына қарай өседі, сондықтан екі мөлшерлемелер интегралда бір-бірін теңестіреді. Оның орнына ортаның біртекті және жеткілікті алыста изотроптық екенін қабылдау кең таралған (мысалы, Кинг, 1963). Бұл жағдайда сәулеленген өріс асимптотикалық түрде радиалды түрде сыртқа қарай таралатын жазықтық толқындар түрін алады (бағытта) және мұнда Z - қоршаған ортаның скалярлық импедансы. Содан кейін қарапайым векторлық сәйкестікке тең болады және екі термин бірін-бірі жояды. Жоғарыда келтірілген аргументтер беттік терминдердің неге жойылатынын анық көрсетеді, бірақ жалпылығы жоқ. Сонымен қатар, жоғалтусыз қоршаған ортаның жағдайын сәулеленудің шекті шарттарымен шектейтін сіңіру принципі (LAP) арқылы қарастыруға болады: шекті жоғалтулар (ε-дің елестетілген бөлігі) нөлге баратын шамада. Кез келген нөлдік емес жоғалту үшін өрістер қашықтықпен экспоненциалды түрде ыдырайды және ортаның біртекті болу-болмауына қарамастан, бет интегралы жоғалады. Лоренцтің өзаралығы теоремасының сол жағы кез келген нөлдік емес шығындар бар барлық кеңістікте интеграция үшін жоғалғандықтан, ол да шекте жоғалтулар нөлге жеткенде жоғалуы керек. (Қараңыз, LAP шексізнен келетін нөлді толқындардың Sommerfeld сәулелену жағдайын білдіреді, өйткені әйтпесе тіпті кездейсоқ аз жоғалту келуі келетін толқындарды жояды және шек жоғалтусыз шешімді бермейді.)
Өзара тиімділік және Гриннің қызметі
Оператордың керісі, яғни, in (жоқсыз жүйеде шекті шарттардың анықталуын талап етеді) симметриясы бірдей және негізінен Грин функциясының ырғағы. Сонымен, Лоренцтің өзара әрекеттесуі туралы тағы бір көзқарас, ол электромагниттік Грин функциясымен ырғақталудың ε және μ-дегі тиісті жағдайларда күрделі симметриялық (немесе анти-Гермиттік) сызықтық операция екенін көрсетеді. Әсіресе, Грин функциясы а-ның n-ші компонентін а-ның м-ші бағытындағы диполдық токты беру ретінде жазылуы мүмкін (негізінен, матрица элементтерін береді) және Рейли Карсонның өзаралығы Грин функциясының нақты формуласын беру мүмкін емес (гомогенді орта сияқты ерекше жағдайларды қоспағанда), бірақ ол сандық әдістермен жүйелі түрде есептеледі.
Жоғалмайтын магнито-оптикалық материалдар
Е симметриялық матрица емес бір жағдай магнитооптикалық материалдар үшін, бұл жағдайда Лоренц өзаралығы туралы әдеттегі мәлімдеме орындалмайды (бұл ретте жалпылау үшін төмендегіге қараңыз). Егер біз магнитооптикалық материалдарға рұқсат берсек, бірақ материалды сіңірудің болмашы болғаны жағдайында өзімізді шектесек, онда ε және μ жалпы 3 × 3 күрделі Гермиттік матрицалар болып табылады. Бұл жағдайда оператор конъюгацияланған ішкі көбейтіндіге сәйкес гермиттік болып табылады және өзара байланыс теоремасының нұсқасы әлі де сақталады: мұнда белгілер жоғарыдағы теңдеудегіден келеді, бұл операторды анти-гермиттік етеді (үстіңгі жағын елемейтін). Бұл ерекше жағдай үшін энергияны сақтау немесе Пойнтинг теоремасы (бұл жерде біз жоғарыда айтылғаннан айырмашылығы жоғалтусыз материалдарды қабылдадық) туралы қайталай мәлімдеме береді: Ағыстың уақыттық орташа жұмыс жылдамдығы (ағыстың нақты бөлігімен берілген) уақыт бойынша орташа сыртқа ағынды қуатқа тең (Пойнтинг векторының интегралы). Алайда, сол сияқты, егер осы өзаралық нұсқасы үшін бүкіл кеңістікте интеграцияланса, беттік терминдер жалпы жолында жоғалмайды, сондықтан Рейли Карсонның нысаны қосымша болжамдарсыз ұсталмайды. Магниттік-оптикалық материалдардың Рейли Карсонның өзара әрекеттесуін бұзатыны Фарадей изоляторлары мен циркуляторлары сияқты құрылғылардың кілті болып табылады. Фарадей оқшаулағышының бір жағындағы ток екінші жағында өрісті тудырады, бірақ керісінше емес.
where the sign changes come from the in the equation above, which makes the operator anti Hermitian (neglecting surface terms). For the special case of this gives a re statement of conservation of energy or Poynting's theorem (since here we have assumed lossless materials, unlike above): The time average rate of work done by the current (given by the real part of ) is equal to the time average outward flux of power (the integral of the Poynting vector). By the same token, however, the surface terms do not in general vanish if one integrates over all space for this reciprocity variant, so a Rayleigh Carson form does not hold without additional assumptions. The fact that magneto optic materials break Rayleigh Carson reciprocity is the key to devices such as Faraday isolators and circulators. A current on one side of a Faraday isolator produces a field on the other side but not vice versa.
Симметриялық емес материалдарға жалпылау
Жоғалған және магниттік оптикалық материалдардың комбинациясы үшін және жалпы ε және μ тензорлары симметриялық немесе Гермиттік матрицалар болмаған кезде, Лоренцтің өзаралығы туралы жалпыланған нұсқаны әр түрлі жүйелерде қарастыру арқылы және болу арқылы алуға болады. Атап айтқанда, егер материалдары бар жүйе үшін ω-дағы Максвелл теңдеулерін қанағаттандырса және материалдары бар жүйе үшін ω-дағы Максвелл теңдеулерін қанағаттандырса, онда Лоренцтің өзара теңдеуі сақталады. Бұл толық 6×6 сезімталдық тензорын көшіру арқылы бианизотроптық материалдарға одан әрі жалпыластырылуы мүмкін.
Өзара қарым-қатынасқа қатысты ерекшеліктер
Сызықтық емес орта үшін жалпы алғанда, өзара қарым-қатынас теоремасы жоқ. Өзара қарым-қатынас, әдетте, уақыт өзгермелі ("белсенді") ортаға да қолданылмайды; мысалы, ε белгілі бір сыртқы процесс арқылы уақытпен модульделген кезде. (Осы екі жағдайда да ω жиілігі, әдетте, сақталатын шама емес.)
Feld-Tai өзаралығы
1992 жылы өзара байланысты теореманы Y өз бетінше ұсынды. А. Фельд және К. Т. Тай, және Фельд Тай өзаралығы немесе Фельд Тай леммасы деп аталады. t екі уақыт гармониялық локальді ток көздері мен олардан пайда болған магнит өрістерін байланыстырады: Дегенмен, Фельд Тай леммасы Лоренц өзара әрекеттен әлдеқайда шектеулі жағдайларда ғана жарамды. Ол әдетте уақытқа өзгермейтін, изотроптық біртекті импедансы бар, яғни μ/ε тұрақты скалярлық қатынасы бар сызықтық ортаны қажет етеді, мүмкін, өте өткізгіш материалдың аймақтарынан басқа. Әсіресе, Фельд Тайның өзара әрекеттесуі жоғарыда көрсетілгендей электромагниттік операторлардың гермиттік (немесе, керісінше, күрделі симметриялық) симметриясын талап етеді, сонымен қатар, байланысты оператор және байланысты оператордың тұрақты скалярлы еселі болып табылады деген болжамға сүйенеді және бұл ε μ μ тұрақты скалярлы еселі болған кезде дұрыс (екі оператор әдетте ε және μ алмасуымен ерекшеленеді). Жоғарыда айтылғандай, шекті көлемдегі интегралдар үшін жалпылау формуласын да құрастыруға болады.
and is known as Feld Tai reciprocity or the Feld Tai lemma. t relates two time harmonic localized current sources and the resulting magnetic fields:
However, the Feld Tai lemma is only valid under much more restrictive conditions than Lorentz reciprocity. It generally requires time invariant linear media with an isotropic homogeneous impedance, i. e. a constant scalar μ/ε ratio, with the possible exception of regions of perfectly conducting material. More precisely, Feld Tai reciprocity requires the Hermitian (or rather, complex symmetric) symmetry of the electromagnetic operators as above, but also relies on the assumption that the operator relating and is a constant scalar multiple of the operator relating and which is true when ε is a constant scalar multiple of μ (the two operators generally differ by an interchange of ε and μ). As above, one can also construct a more general formulation for integrals over a finite volume.
Гриннің өзаралығы
Жоғарыда көрсетілген өзаралық теоремалары тербелісті өрістер үшін болған кезде, Гриннің өзаралығы электр зарядының тұрақты таралуы бар электростатика үшін ұқсас теорема болып табылады (Панофский мен Филлипс, 1962). Әсіресе, электрлік потенциалды жалпы заряд тығыздығынан алынған электрлік потенциалды белгілейік. Электрлік потенциал Пуассон теңдеуін қанағаттандырады, , мұндағы вакуумдық рұқсат. Сол сияқты , толық заряд тығыздығынан туындайтын электр потенциалын белгілейік , қанағаттандырады Екі жағдайда да зарядтың таралуы жергілікті деп есептейміз, сондықтан потенциалдарды шексізге дейін нөлге дейін таңдауға болады. Содан кейін Гриннің өзара байланыс теоремасы барлық кеңістіктегі интегралдар үшін: Бұл теорема Гриннің екінші сәйкестігінен оңай дәлелденді. Бұл - Hermitian оператор (бөліктер бойынша екі рет интеграциялау арқылы) деген сөз.
This theorem is easily proven from Green's second identity. Equivalently, it is the statement that
i. e. that is a Hermitian operator (as follows by integrating by parts twice).