帶電粒子的移動軌道。
假設,從源頭位置
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
往檢驗位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
發射出一束電磁波,而這束電磁波在檢驗時間
t
{\displaystyle t\,\!}
抵達觀測者的檢驗位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
,則這束電磁波發射的時間是推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
。由於電磁波 傳播於真空 的速度是有限的,觀測者檢驗到電磁波的檢驗時間
t
{\displaystyle t\,\!}
,會不同於這電磁波發射的推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
。推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
定義為檢驗時間
t
{\displaystyle t\,\!}
減去電磁波 傳播的時間:
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 。
推遲時間的概念意味著電磁波的傳播不是瞬時的。電磁波從發射位置傳播到終點位置,需要一段傳播期間,稱為時間延遲 。與日常生活的速度來比,電磁波傳播的速度相當快。因此,對於小尺寸系統,這時間延遲,通常很難察覺。例如,從開啟電燈泡到這電燈泡的光波抵達到觀測者的雙眼,所經過的時間延遲,只有幾兆分之一秒。但是,對於大尺寸系統,像太陽照射陽光到地球,時間延遲大約為8分鐘,可以經過實驗偵測察覺。
表達方程式
假設,一個移動中的帶電粒子,所帶電荷為
q
{\displaystyle q\,\!}
,隨著時間
t
{\displaystyle t\,\!}
而改變的運動軌道為
w
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {w} (t)\,\!}
。設定向量
R
{\displaystyle {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\,\!}
為從帶電粒子位置
r
′
=
w
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t)\,\!}
到檢驗位置
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
的分離向量:
R
=
r
−
r
′
=
r
−
w
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}=\mathbf {r} -\mathbf {r} '=\mathbf {r} -\mathbf {w} (t)\,\!}
。
則黎納-維謝純量勢
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
和黎納-維謝向量勢
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
分別以方程式表達為
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}\,\!}
是真空電容率 ,
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
是帶電粒子的移動速度,
v
(
t
)
=
d
w
d
t
{\displaystyle \mathbf {v} (t)={\frac {d\mathbf {w} }{dt}}\,\!}
。
雖然黎納-維謝純量勢
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
和黎納-維謝向量勢
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
的時間參數是
t
{\displaystyle t\,\!}
,方程式右手邊的幾個變數,帶電粒子位置
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
和速度
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
都是採推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
時的數值:
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
、
v
=
v
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {v} =\mathbf {v} (t_{r})\,\!}
。
推導
從推遲勢 ,可以推導出黎納-維謝勢。推遲純量勢
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
與推遲向量勢
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
分別以方程式定義為(參閱推遲勢 )
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})\,\!}
分別是推遲時刻的電荷密度和電流密度,
V
′
{\displaystyle {\mathcal {V}}'\,\!}
是積分的體空間,
d
3
r
′
{\displaystyle d^{3}\mathbf {r} '\,\!}
是微小體元素,
R
{\displaystyle {\mathfrak {R}}\,\!}
向量還是採推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
時的數值。
帶電粒子運動軌道的電荷密度 可以用狄拉克δ函數 表達為
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函數。
代入推遲純量勢
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} '\,\!}
。
由於狄拉克δ函數
δ
(
r
′
−
w
(
t
r
)
)
{\displaystyle \delta (\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r}))\,\!}
的積分會從
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
的可能值中,挑選出當
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
時,所有變數的數值。所以,在積分內的變數,都可以被提出積分,採推遲時間
r
′
=
w
(
t
r
)
{\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
時所計算出的數值。積分內,只剩下狄拉克δ函數等待進一步處理:
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} '\,\!}
。
由於推遲時間
t
r
{\displaystyle t_{r}\,\!}
跟三個變數
t
{\displaystyle t\,\!}
、
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
、
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '\,\!}
有關,這積分比較難計算,需要使用換元積分法 [ 4] 。設定變數
η
=
r
′
−
w
(
t
r
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}=\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r})\,\!}
。那麼,其雅可比行列式
J
{\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!}
為
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}}\,\!}
。
行列式內分量很容易計算,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,經過一番計算,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,推遲純量勢
Φ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!}
的方程式變為
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 }}\,\!}
。
這樣,可以得到黎納-維謝純量勢:
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} }}\,\!}
。
類似地,也可以推導出黎納-維謝向量勢。
相對論性導引
從推遲勢的表達式可以看出它只依賴於推遲時刻源點的速度,而不依賴於源點的加速度,所以通過電磁勢的洛侖茲變換 也可以推導出黎納-維謝勢。考慮一個在推遲時刻瞬時速度與電荷運動速度相同的慣性系,記作
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
。在
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
系中,電荷在推遲時刻的速度為零(雖然加速度未必為零),其標勢應由庫侖定律 給出,矢勢為零。[ 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}
。
標勢和矢勢從
S
′
{\displaystyle S^{\prime }}
繫到
S
{\displaystyle S}
系的變換滿足洛侖茲變換:
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 }
是洛侖茲因子 ,
β
=
v
/
c
{\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}=\mathbf {v} /c}
。
代入後可以得到:
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}}}
的變換關係也由洛侖茲變換給出:
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}}})}
將
R
′
{\displaystyle {\mathfrak {R}}'}
的表達式代入即得到黎納-維謝勢。
物理意義
對於固定不動的帶電粒子,電勢的方程式為
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}}}\,\!}
。
這是黎納-維謝純量勢乘以雅可比行列式因子
J
{\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!}
。追根究柢,原因是移動中的帶電粒子,雖然理論上是點粒子,但是由於它是在移動中,在積分裏所佔有的體積顯得比較大,所帶的電荷因此比較多,所以產生的電勢不同。這也可以看作是一種多普勒效應 。[ 5]
移動中的帶電粒子的電磁場
從黎納-維謝勢,可以計算電場
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
和磁場
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} \,\!}
。
求得的電場
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
和磁場
B
{\displaystyle \mathbf {B} \,\!}
分別為[ 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} \,\!}
設定為
c
R
^
−
v
{\displaystyle c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}-\mathbf {v} \,\!}
,帶電粒子的加速度 是
a
=
d
v
d
t
{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}\,\!}
。
檢查電場
E
{\displaystyle \mathbf {E} \,\!}
的方程式,右邊第一項稱為廣義庫侖場 ,又稱為速度場 ,因為這項目與加速度無關。當
v
≪
c
{\displaystyle v\ll c\,\!}
,粒子速度超小於光速時,
u
→
c
R
^
{\displaystyle \mathbf {u} \to c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\,\!}
,這項目會趨向庫侖方程式 :
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}}}\,\!}
。
右邊第二項稱為輻射場 ,又稱為加速度場 ,因為這項目的物理行為主要是由粒子的加速度決定。這個項目能夠描述電磁輻射 的生成程序。