Poyntings vektor

Poyntings vektor angir fluks av energi i et elektromagnetisk felt. I SI-systemet måles den i watt per kvadratmeter (W/m2). Uttrykt ved det elektriske feltet E og det magnetiske feltet H,  er den definert ved vektorproduktet

 

For en elektromagnetisk bølge hvor disse to vektorene står vinkelrett på hverandre, vil Poyntings vektor ha samme retning som utbredelsesretningen til bølgen.

Utledningen og betydningen av denne vektoren ble gjort av den engelske fysiker John Henry Poynting som publiserte sin oppdagelse i 1884.

Matematisk utledning
Energien til det elektromagnetiske feltet kan enklest uttrykkes ved feltvektorene D = ε0E og B = μ0H ved bruk av den elektriske konstanten ε0  og den magnetiske konstanten μ0. Den tilsvarende energitettheten kan da skrives som

 

hvor i allminnelighet feltene varierer i tid og rom. Den totale energien i et volum V er da gitt ved integralet

 

Forandringen av denne energien med tiden kan nå skrives som

 

Antar man nå for enkelhets skyld at volumet under betrakting ikke inneholder noen elektriske ladninger eller strømmer, kan man der benytte de to Maxwell-ligningene  og . Sammen med den vektoranalytiske identiteten 

 

tar da resultatet formen

 

Ved å innføre Poynting-vektoren S = E × H, må man derfor ha oppfylt ligningen

 

Denne kan betraktes som en kontinuitetsligning for bevarelse av energi hvor Poynting-vektoren representerer energifluksen. Dette kommer tydeligere frem ved å benytte Gauss' divergensteorem i integralet slik at det kan omformes til

 

hvor dA er differensielt flateelement på overflaten til volumet V. På denne formen ser man at Poyntings vektor angir strømmen av energi ut av volumet slik at energien i volumet avtar. Hadde man inkludert effekten av elektriske strømmer i denne utledningen, ville også energi ha gått tapt ved det elektriske arbeidet som disse ville ha utført under påvirkning av det elektromagnetiske feltet.

Betydning

Energien som overføres gjennom en elektrisk krets er direkte forbundet med strømmene som går i kretsen. Men oppdagelsen av Poyntings vektor viste at denne energien i stor grad ikke er lokalisert til ledningene hvor strømmen går, men heller i rommet omkring. Denne innsikten kom Poynting selv til. Og den skulle bli av stor betydning noen få år senere da Heinrich Hertz viste hvordan slike kretser kunne generere elektromagnetisk stråling.

Dette kan illustreres ved de elektromagnetiske feltene i en koaksialkabel. Her fører den indre og ytre lederen strømmen i motsatte retninger. Etter Ampères sirkulasjonslov vil det derfor være et sirkulært magnetfelt i det isolerte sjiktet inni kabelen. Utenfor vil det være null da en lukket sløyfe rundt om kabelen omslutter to strømmer som nøyaktig kansellerer hverandre i bruk av loven. Samtidig er det et radielt, elektrisk felt inni kabelen bestemt av spenningen som kabelen er belastet med. 

I det isolerte området mellom de strømførende lederne står derfor det elektriske og det magnetiske feltet vinkelrett på hverandre og danner en Poynting-vektor. Denne representerer energien som kabelen leverer til den lasten den er koblet til. Men i tillegg vil det være et mye svakere, elektrisk felt inni lederne som driver strømmen gjennom den. Kombinert med magnetfeltet gir dette en mye mindre Poynting-vektor som peker inn i lederne. Den representerer den ohmske energien som går tapt i lederne. Utenfor kabelen er Poynting-vektoren lik null da magnetfeltet her er null.

Elektrisk krets

Hvordan energien i en elektrisk krets transporteres fra et batteri til en elektrisk motstand hvor den opptrer som ohmsk varme, blir tydeliggjort på samme måte ved å beregne feltene i kretsen slik at Poynting-vektoren i hvert punkt kan finnes. Alle kretselement som fører strøm, vil være omgitt av magnetfelt. Likedan vil det være elektriske felt mellom ledningene og i mindre grad langs disse for å drive strømmen. Som vist i illustrasjonen, fører dette med seg at det finnes en energistrøm bort fra batteriet. Noe av denne går gjennom rommet mellom ledningene hvorav en del strømmer inn i motstanden og varmer denne opp.

Denne energistrømmen kan beregnes. Hvis batteriet leverer strømmen I, er det elektriske feltet inni motstanden  med radius a gitt som  hvor σ er dens ledningsevne. Samtidig er det magnetiske feltet på dens overflate . For å beregne energien som strømmer inn i motstanden, behøves størrelsen S = EH til Poynting-vektoren på dens overflate. Denne har arealet A = 2πab når den har lengden b. Per tidsenhet er da energifluksen inn i motstanden

 

hvor R = b/σπa2 størrelsen av motstanden. Og dette er akkurat den effekten som utvikles i motstanden så lenge batteriet leverer strøm.

Referanser 

Teoretisk fysikk
Elektromagnetisme