带电粒子的移动轨道。
假设,从源头位置
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
往检验位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
发射出一束电磁波,而这束电磁波在检验时间
t
{\displaystyle t\,\!}
抵达观测者的检验位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
,则这束电磁波发射的时间是推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
。由于电磁波 传播于真空 的速度是有限的,观测者检验到电磁波的检验时间
t
{\displaystyle t\,\!}
,会不同于这电磁波发射的推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
。推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
定义为检验时间
t
{\displaystyle t\,\!}
减去电磁波 传播的时间:
t
r
=
d
e
f
t
−
|
r
−
r
′
|
c
{\displaystyle t_{r}\ {\stackrel {def}{=}}\ t-{\frac {|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}{c}}\,\!}
;
其中,
c
{\displaystyle c\,\!}
是光速 。
推迟时间的概念意味著电磁波的传播不是瞬时的。电磁波从发射位置传播到终点位置,需要一段传播期间,称为时间延迟 。与日常生活的速度来比,电磁波传播的速度相当快。因此,对于小尺寸系统,这时间延迟,通常很难察觉。例如,从开启电灯泡到这电灯泡的光波抵达到观测者的双眼,所经过的时间延迟,只有几兆分之一秒。但是,对于大尺寸系统,像太阳照射阳光到地球,时间延迟大约为8分钟,可以经过实验侦测察觉。
表达方程式
假设,一个移动中的带电粒子,所带电荷为
q
{\displaystyle q\,\!}
,随著时间
t
{\displaystyle t\,\!}
而改变的运动轨道为
w
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {w} (t)\,\!}
。设定向量
R
{\displaystyle {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\,\!}
为从带电粒子位置
r
′
=
w
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t)\,\!}
到检验位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
的分离向量:
R
=
r
−
r
′
=
r
−
w
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}=\mathbf {r} -\mathbf {r} '=\mathbf {r} -\mathbf {w} (t)\,\!}
。
则黎纳-维谢纯量势
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
和黎纳-维谢向量势
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
分别以方程式表达为
Φ
(
r
,
t
)
=
1
4
π
ϵ
0
q
c
R
c
−
R
⋅
v
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {qc}{{\mathfrak {R}}c-{\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\cdot \mathbf {v} }}\,\!}
、
A
(
r
,
t
)
=
v
c
2
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {\mathbf {v} }{c^{2}}}\Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
;
其中,
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}\,\!}
是真空电容率 ,
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
是带电粒子的移动速度,
v
(
t
)
=
d
w
d
t
{\displaystyle \mathbf {v} (t)={\frac {d\mathbf {w} }{dt}}\,\!}
。
虽然黎纳-维谢纯量势
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
和黎纳-维谢向量势
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
的时间参数是
t
{\displaystyle t\,\!}
,方程式右手边的几个变数,带电粒子位置
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
和速度
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
都是采推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
时的数值:
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
、
v
=
v
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {v} =\mathbf {v} (t_{r})\,\!}
。
推导
从推迟势 ,可以推导出黎纳-维谢势。推迟纯量势
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
与推迟向量势
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
分别以方程式定义为(参阅推迟势 )
Φ
(
r
,
t
)
=
d
e
f
1
4
π
ϵ
0
∫
V
′
ρ
(
r
′
,
t
r
)
R
d
3
r
′
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{{\mathcal {V}}'}{\frac {\rho (\mathbf {r} ',\,t_{r})}{\mathfrak {R}}}\,d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
、
A
(
r
,
t
)
=
d
e
f
μ
0
4
π
∫
V
′
J
(
r
′
,
t
r
)
R
d
3
r
′
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\int _{{\mathcal {V}}'}{\frac {\mathbf {J} (\mathbf {r} ',\,t_{r})}{\mathfrak {R}}}\,d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
;
其中,
ρ
(
r
′
,
t
r
)
{\displaystyle \rho (\mathbf {r} ',\,t_{r})\,\!}
和
J
(
r
′
,
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {J} (\mathbf {r} ',\,t_{r})\,\!}
分别是推迟时刻的电荷密度和电流密度,
V
′
{\displaystyle {\mathcal {V}}'\,\!}
是积分的体空间,
d
3
r
′
{\displaystyle d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
是微小体元素,
R
{\displaystyle {\mathfrak {R}}\,\!}
向量还是采推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
时的数值。
带电粒子运动轨道的电荷密度 可以用狄拉克δ函数 表达为
ρ
(
r
,
t
)
=
q
δ
(
r
−
w
(
t
)
)
{\displaystyle \rho (\mathbf {r} ,\,t)=q\delta (\mathbf {r} -\mathbf {w} (t))\,\!}
;
其中,
δ
(
r
−
w
(
t
)
)
{\displaystyle \delta (\mathbf {r} -\mathbf {w} (t))\,\!}
是狄拉克δ函数。
代入推迟纯量势
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
的方程式,
Φ
(
r
,
t
)
=
q
4
π
ϵ
0
∫
V
′
δ
(
r
′
−
w
(
t
r
)
)
R
d
3
r
′
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{{\mathcal {V}}'}{\frac {\delta (\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r}))}{\mathfrak {R}}}\,d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
。
由于狄拉克δ函数
δ
(
r
′
−
w
(
t
r
)
)
{\displaystyle \delta (\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r}))\,\!}
的积分会从
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
的可能值中,挑选出当
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
时,所有变数的数值。所以,在积分内的变数,都可以被提出积分,采推迟时间
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
时所计算出的数值。积分内,只剩下狄拉克δ函数等待进一步处理:
Φ
(
r
,
t
)
=
q
4
π
ϵ
0
R
∫
V
′
δ
(
r
′
−
w
(
t
r
)
)
d
3
r
′
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}}}\int _{{\mathcal {V}}'}\delta (\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r}))\,d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
。
由于推迟时间
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
跟三个变数
t
{\displaystyle t\,\!}
、
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
、
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
有关,这积分比较难计算,需要使用换元积分法 [ 4] 。设定变数
η
=
r
′
−
w
(
t
r
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}=\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
。那么,其雅可比行列式
J
{\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!}
为
J
=
∂
η
∂
r
′
=
|
∂
η
x
∂
x
′
∂
η
x
∂
y
′
∂
η
x
∂
z
′
∂
η
y
∂
x
′
∂
η
y
∂
y
′
∂
η
y
∂
z
′
∂
η
z
∂
x
′
∂
η
z
∂
y
′
∂
η
z
∂
z
′
|
{\displaystyle {\mathfrak {J}}={\cfrac {\partial {\boldsymbol {\eta }}}{\partial \mathbf {r} '}}={\begin{vmatrix}{\cfrac {\partial \eta _{x}}{\partial x'}}&{\cfrac {\partial \eta _{x}}{\partial y'}}&{\cfrac {\partial \eta _{x}}{\partial z'}}\\{\cfrac {\partial \eta _{y}}{\partial x'}}&{\cfrac {\partial \eta _{y}}{\partial y'}}&{\cfrac {\partial \eta _{y}}{\partial z'}}\\{\cfrac {\partial \eta _{z}}{\partial x'}}&{\cfrac {\partial \eta _{z}}{\partial y'}}&{\cfrac {\partial \eta _{z}}{\partial z'}}\\\end{vmatrix}}\,\!}
。
行列式内分量很容易计算,例如:
∂
η
x
∂
x
′
=
1
−
∂
w
x
∂
x
′
=
1
−
∂
w
x
∂
t
r
∂
t
r
∂
x
′
=
1
−
v
x
∂
t
r
∂
x
′
{\displaystyle {\cfrac {\partial \eta _{x}}{\partial x'}}=1-{\cfrac {\partial w_{x}}{\partial x'}}=1-{\cfrac {\partial w_{x}}{\partial t_{r}}}\ {\cfrac {\partial t_{r}}{\partial x'}}=1-v_{x}{\cfrac {\partial t_{r}}{\partial x'}}\,\!}
、
∂
η
y
∂
x
′
=
∂
w
y
∂
x
′
=
∂
w
y
∂
t
r
∂
t
r
∂
x
′
=
v
y
∂
t
r
∂
x
′
{\displaystyle {\cfrac {\partial \eta _{y}}{\partial x'}}={\cfrac {\partial w_{y}}{\partial x'}}={\cfrac {\partial w_{y}}{\partial t_{r}}}\ {\cfrac {\partial t_{r}}{\partial x'}}=v_{y}{\cfrac {\partial t_{r}}{\partial x'}}\,\!}
。
按照上述方法,经过一番计算,可以得到
J
=
1
−
v
⋅
∇
′
t
r
=
1
−
R
^
⋅
v
/
c
{\displaystyle {\mathfrak {J}}=1-\mathbf {v} \cdot \nabla 't_{r}=1-{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\cdot \mathbf {v} /c\,\!}
。
所以,推迟纯量势
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
的方程式变为
Φ
(
r
,
t
)
=
q
4
π
ϵ
0
R
∫
V
′
δ
(
η
)
∂
r
′
∂
η
d
3
η
=
q
4
π
ϵ
0
R
∫
V
′
δ
(
η
)
J
d
3
η
=
q
4
π
ϵ
0
R
∫
V
′
δ
(
η
)
1
−
R
^
⋅
v
/
c
d
3
η
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}}}\int _{{\mathcal {V}}'}\delta ({\boldsymbol {\eta }}){\cfrac {\partial \mathbf {r} '}{\partial {\boldsymbol {\eta }}}}\,d^{3}{\boldsymbol {\eta }}={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}}}\int _{{\mathcal {V}}'}{\cfrac {\delta ({\boldsymbol {\eta }})}{\mathfrak {J}}}\,d^{3}{\boldsymbol {\eta }}={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}}}\int _{{\mathcal {V}}'}{\cfrac {\delta ({\boldsymbol {\eta }})}{1-{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\cdot \mathbf {v} /c}}\,d^{3}{\boldsymbol {\eta }}\,\!}
。
这样,可以得到黎纳-维谢纯量势:
Φ
(
r
,
t
)
=
1
4
π
ϵ
0
q
c
R
c
−
R
⋅
v
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {qc}{{\mathfrak {R}}c-{\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\cdot \mathbf {v} }}\,\!}
。
类似地,也可以推导出黎纳-维谢向量势。
相对论性导引
从推迟势的表达式可以看出它只依赖于推迟时刻源点的速度,而不依赖于源点的加速度,所以通过电磁势的洛仑兹变换 也可以推导出黎纳-维谢势。考虑一个在推迟时刻瞬时速度与电荷运动速度相同的惯性系,记作
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
。在
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
系中,电荷在推迟时刻的速度为零(虽然加速度未必为零),其标势应由库仑定律 给出,矢势为零。[ 5] [ 6] :165ff
ϕ
′
=
q
4
π
ϵ
0
R
′
{\displaystyle \phi '={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}'}}}
、
A
′
=
0
{\displaystyle A'=0}
。
标势和矢势从
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
系到
S
{\displaystyle S}
系的变换满足洛仑兹变换:
ϕ
=
γ
(
ϕ
′
−
c
β
A
′
)
{\displaystyle \phi =\gamma (\phi '-c\beta A')}
、
A
=
γ
(
−
A
′
+
β
ϕ
′
/
c
)
{\displaystyle A=\gamma (-A'+\beta \phi '/c)}
;
其中,
γ
{\displaystyle \gamma }
是洛仑兹因子 ,
β
=
v
/
c
{\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}=\mathbf {v} /c}
。
代入后可以得到:
ϕ
=
γ
q
4
π
ϵ
0
R
′
{\displaystyle \phi ={\frac {\gamma q}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}'}}}
、
A
=
γ
q
β
4
π
ϵ
0
R
′
c
{\displaystyle {\boldsymbol {A}}={\frac {\gamma q{\boldsymbol {\beta }}}{4\pi \epsilon _{0}{\mathfrak {R}}'c}}}
。
R
′
{\displaystyle {\mathfrak {R}}'}
和
R
{\displaystyle {\mathfrak {R}}}
的变换关系也由洛仑兹变换给出:
R
′
=
c
Δ
t
′
=
c
γ
(
Δ
t
−
β
⋅
R
/
c
)
=
γ
(
R
−
β
⋅
R
)
{\displaystyle {\mathfrak {R}}'=c\Delta t'=c\gamma (\Delta t-{\boldsymbol {\beta }}\cdot {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}/c)=\gamma ({\mathfrak {R}}-{\boldsymbol {\beta }}\cdot {\boldsymbol {\mathfrak {R}}})}
将
R
′
{\displaystyle {\mathfrak {R}}'}
的表达式代入即得到黎纳-维谢势。
物理意义
对于固定不动的带电粒子,电势的方程式为
Φ
(
r
,
t
)
=
1
4
π
ϵ
0
q
R
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {q}{\mathfrak {R}}}\,\!}
。
这是黎纳-维谢纯量势乘以雅可比行列式因子
J
{\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!}
。追根究柢,原因是移动中的带电粒子,虽然理论上是点粒子,但是由于它是在移动中,在积分里所占有的体积显得比较大,所带的电荷因此比较多,所以产生的电势不同。这也可以看作是一种多普勒效应 。[ 5]
移动中的带电粒子的电磁场
从黎纳-维谢势,可以计算电场
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
和磁场
B
{\displaystyle \mathbf {B} \,\!}
:
E
=
−
∇
Φ
−
∂
A
∂
t
{\displaystyle \mathbf {E} =-\nabla \Phi -{\dfrac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}\,\!}
、
B
=
∇
×
A
{\displaystyle \mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} \,\!}
。
求得的电场
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
和磁场
B
{\displaystyle \mathbf {B} \,\!}
分别为[ 7]
E
(
r
,
t
)
=
q
4
π
ϵ
0
R
(
R
⋅
u
)
3
[
(
c
2
−
v
2
)
u
+
R
×
(
u
×
a
)
]
{\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\cfrac {\mathfrak {R}}{({\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\cdot \mathbf {u} )^{3}}}[(c^{2}-v^{2})\mathbf {u} +{\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\times (\mathbf {u} \times \mathbf {a} )]\,\!}
、
B
(
r
,
t
)
=
1
c
R
^
×
E
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {B} (\mathbf {r} ,\,t)={\frac {1}{c}}{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
;
其中,向量
u
{\displaystyle \mathbf {u} \,\!}
设定为
c
R
^
−
v
{\displaystyle c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}-\mathbf {v} \,\!}
,带电粒子的加速度 是
a
=
d
v
d
t
{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}\,\!}
。
检查电场
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
的方程式,右边第一项称为广义库仑场 ,又称为速度场 ,因为这项目与加速度无关。当
v
≪
c
{\displaystyle v\ll c\,\!}
,粒子速度超小于光速时,
u
→
c
R
^
{\displaystyle \mathbf {u} \to c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\,\!}
,这项目会趋向库仑方程式 :
E
=
q
4
π
ϵ
0
R
^
R
2
{\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {q}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}{{\mathfrak {R}}^{2}}}\,\!}
。
右边第二项称为辐射场 ,又称为加速度场 ,因为这项目的物理行为主要是由粒子的加速度决定。这个项目能够描述电磁辐射 的生成程序。