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运动媒质中电磁波的相速和群速余稳蔡新华(湖南省常德师范高等专科学校电磁理论研究所 常德 415000)【摘 要】 利用不同惯性系之间电磁波传播矢量的相对论变换, 推导了电磁波在运动媒质中传播的相速和群速, 并讨论了它们之间的联系和区别。
运动媒质中电磁波的相速和群速
余
稳
蔡新华
(湖南省常德师范高等专科学校电磁理论研究所 常德 415000)
【摘 要】 利用不同惯性系之间电磁波传播矢量的相对论变换, 推导了电磁波在运动
媒质中传播的相速和群速, 并讨论了它们之间的联系和区别。
【关键词】 波矢 相对论变换 相速 群速
【分类号】 O
44114
相速和群速是描述电磁波传播过程的重要物理量。在简单媒质 (各向同性均匀媒质) 中, 电
磁波的相速和群速大小相等, 方向相同。 然而在一些复杂媒质 (如各向异性媒质) 中, 电磁波的 相速和群速的表达式则比较复杂。通过对其求解, 可以了解电磁波在这种媒质中传播时的一些
重要特点。
众所周知, 运动媒质是电磁场理论中受到注意的第一种双各向异性媒质, 当电磁波在运动 媒质中传播时, 其相速和群速与诸多方面因素有关。通常求解比较困难。有些文献报导在某些 特殊条件下进行了求解, 如文献〔1〕中讨论了电磁波的传播方向和媒质运动方向一致时的波 速; 文献〔2〕讨论了电磁波的传播方向与媒质运动方向垂直和平行的情况。 这样的讨论对于波
速与传播方向的依赖关系以及相速与群速的差别还不深入, 没有反映出运动媒质各向异性这 一重要特征。本文利用四维波矢量的洛仑兹变换, 推导了普遍情况下运动媒质中电磁波的相速 和群速, 其结果弥补了上述的不足。
1 计
算
111 运动媒质的色散关系
设 S ′系相对于 S 系以速度 V 沿 X 轴正向运动, 媒质为静止在 S ′系中的各向同性均匀媒 质, 其介电常数为 Ε, 磁导率为 Λ, 观察者静止在 S 系中。
媒质在其静止参照系 (S ′系) 中的色散关系为
K ′2 - Ξ′2 ΛΕ= 0
其中 K ′, Ξ′为电磁波在 S ′系中的传播矢量和角频率。 利用两惯性系间四维波矢量的变换, 可得如下关系:
(1)
V
K ′‖ = Χ(K ‖ -
K ′⊥ = K ⊥
Ξ)
C 2
(2)
Ξ′= Χ(Ξ -
V K ‖ )
其中 K ′‖、K ′⊥ 和 K ‖、K ⊥ 分别代表波矢量在 S ′系和 S 系中的平行与垂直于媒质运动方向上的
收稿日期: 1997- 05- 19
HYPERLINK ki.n/ ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ki.n
2V分量。 Χ= 1- ) - 1 , C 为真空中光速。(C 2将 (2) 式代入 (1) 式中, 得到Χ2 (K ‖ - V Ξ) 2 + K 2 -⊥ ΛΕΧ2 (Ξ - V K ‖ ) 2 = 0C 2利用 K 2 = K 2 -K 2 , 上式化为⊥‖2‖ + 2Ξ (ΛΕΧ2V - Χ2 V ) K ‖ +(VK 2 + (Χ
2
V
分量。 Χ= 1- ) - 1 , C 为真空中光速。
(
C 2
将 (2) 式代入 (1) 式中, 得到
Χ2 (K ‖ - V Ξ) 2 + K 2 -
⊥ ΛΕΧ2 (Ξ - V K ‖ ) 2 = 0
C 2
利用 K 2 = K 2 -
K 2 , 上式化为
⊥
‖
2
‖ + 2Ξ (ΛΕΧ2V - Χ2 V ) K ‖ +
(V
K 2 + (Χ2 - 1 - ΛΕΧ2V 2 ) K 2
ΛΕ) Χ2 Ξ2 = 0
-
C 2
C 4
利用 ΛΕ= 1 Λr Εr , Ξ = k 0 , Χ2 =
1
( 其中 Λr、Εr 为相对介电常数和相对磁导率, k 0 为真空中的
C 2
Β2
C
1-
波矢量, Β= V ) , 可得
C
K 2 + Χ2 Β2 (1 -
Λr Εr ) K 2
2Βk 0 Χ2 (Λr Εr - 1) K ‖ +
(Β2 -
Λr Εr ) k 2 Χ2 =
+
0
‖
0
_
_
由于 K ‖ = K co sΗ, 其中 Η为 K 与 V 之间的夹角, 并将上式中的 Χ2 (Λr Εr -
1) 记为 Γ, 则化简为
0
(1 - Β2 Γco s2 Η) K 2 + 2ΒΓk 0 co sΗK - Γ + 1 =
k 2
0 (
)
(
)
3
(3) 式即为运动媒质的色散
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