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 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

$\mathrm{F}_{\mu \nu} = \frac{\partial A_\nu}{\partial x^\mu} - \frac{\partial A_\mu}{\partial x^\nu}$

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:

$\mathrm{F}_{\mu \nu} = \frac{\partial A_\nu}{\partial x^\mu} - \frac{\partial A_\mu}{\partial x^\nu} = \nabla_\mu A_\nu - \nabla_\nu A_\mu$

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

$F = \mathbf d A$

Отсюда также очевидна его инвариантность.

Свойства

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

$\ F^{\mu \nu} F_{\mu \nu} = 2(B^2 - E^2) = inv$

$\varepsilon^{\mu \nu \sigma \rho}F_{\mu \nu}F_{\sigma \rho} = -8 \left( \mathbf E \cdot \mathbf B \right) = inv$

Выражение для компонент

Ковариантные компоненты тензора электромагнитного поля имеют вид

$F_{\mu \nu} = \left( \begin{matrix} 0 & E_x & E_y & E_z \\ -E_x & 0 & -B_z & B_y \\ -E_y & B_z & 0 & -B_x \\ -E_z & -B_y & B_x & 0 \end{matrix} \right)$

Такая зависимость антисимметричного тензора от двух векторов условно записывается как

$F_{\mu \nu} = \left( \mathbf E, \mathbf B \right)$

Контравариантные компоненты (в пространстве с метрикой Минковского) имеют вид

$F^{\mu \nu} = \left( \begin{matrix} 0 & -E_x & -E_y & -E_z \\ E_x & 0 & -B_z & B_y \\ E_y & B_z & 0 & -B_x \\ E_z & -B_y & B_x & 0 \end{matrix} \right)$

что обозначается как

$F^{\mu \nu} = \left( -\mathbf E, \mathbf B \right)$

Таким образом, оказывается, что векторы электрического и магнитного полей преобразуются в общем случае нелинейных 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

$E_x = E_x^\prime,~~~ E_y = \frac{E_y^\prime + {V \over c} B_z^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}},~~~ E_z = \frac{E_z^\prime - {V \over c} B_y^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}}$

$B_x = B_x^\prime,~~~ B_y = \frac{B_y^\prime - {V \over c} E_z^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}},~~~ B_z = \frac{B_z^\prime + {V \over c} E_y^\prime}{\sqrt{1 - {V^2 \over c^2}}}$

Применение

Непосредственно из определения следует, что

$\mathbf d F = 0$

В компонентах это выражение принимает вид

$\varepsilon_{\mu \rho \nu \sigma}\frac{\partial F_{\mu \rho}}{\partial x^\nu} = \frac{\partial F_{\mu \rho}}{\partial x^\nu} + \frac{\partial F_{\rho \nu}}{\partial x^\mu} + \frac{\partial F_{\nu \mu}}{\partial x^\rho} = 0$

где $\varepsilon_{\mu \rho \nu \sigma}$ — 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:

$\operatorname{div}\,\mathbf B = 0$

$\operatorname{rot}\,\mathbf E = - {1 \over c}\frac{\partial \mathbf B}{\partial t}$

Вторая пара уравнений Максвелла выражается через тензор электромагнитного поля как

$\nabla_\nu F^{\mu \nu} = - \frac{4\pi}{c} j^\mu$

где $j^\mu$ — вектор 4-тока.

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

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

$\mathcal{F}^\nu = qF^{\mu \nu} u_\mu$

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