Poyntingin teoreema

Poyntingin teoreema on sähkömagneettisen energian säilymislaki, joka on nimetty löytäjänsä John Henry Poyntingin mukaan. Poynting julkaisi teoreeman vuonna 1884. Myös Oliver Heaviside johti vastaavan teoreeman itsenäisesti, mutta julkaisi tuloksensa Poyntingia myöhemmin. Teoreema on muodoltaan jatkuvuusyhtälö, ja sen mukaan tiettyyn tilavuuteen varastoituneen sähkömagneettisen energian muutos vastaa sähkömagneettisen kentän varausjakaumaan tekemän työn ja tilavuuteen virtaavan energiavuon summaa.
Poyntingin vektori on teoreemassa esiintyvä suure, joka kuvaa sähkömagneettisen kentän energiavuon suuntaa ja suuruutta, eli sähkömagneettisten aaltojen kuljettamaa energiaa pinta-alayksikön läpi yhdessä aikayksikössä. Energiavuon SI-yksikkö on watti per neliömetri (W/m2). Poyntingin vektori saadaan sähkö- ja magneettikenttien tulona, mikä tarkoittaa että sähkö- tai magneettikenttä ei yksinään voi kuljettaa energiaa, vaan siihen tarvitaan molemmat kentät.
Sähkömagneettisen tasoaallon Poyntingin vektori osoittaa aallon etenemissuuntaan.
Poyntingin vektorin avulla voidaan esimerkiksi kuvata miten pariston tuottama sähkömagneettinen energia kulkee virtapiirissä paristosta vastukseen, jossa se muuttuu lämpöenergiaksi. Energia ei kulje johtimia pitkin, vaan virtapiiriä ympäröivässä sähkömagneettisessa kentässä. 
Poyntingin vektorin avulla voidaan myös kuvata sähkömagneettisen kentän kantamaa liikemäärää, ja erityisesti sen absorption kappaleeseen aiheuttamaa säteilypainetta.
Sähkömagneettisen kentän tekemä työ.
Sähkömagneettinen kenttä, joka koostuu sähkökentästä formula_1 ja magneettikentästä formula_2, kohdistaa varausjakaumaan formula_3 Lorentzin voiman
formula_4, 
missä formula_5 on varausjakauman liikkeeseen liittyvä sähkövirran tiheys ja formula_6 on varausjakauman nopeutta kuvaava vektorikenttä. Koska magneettikenttä ei tee työtä, yksinkertaistuu sähkömagneettisen kentän varausjakaumaan tekemän mekaanisen työn teho (tilavuuselementtiä kohden) muotoon
formula_7,
Ampèren-Maxwellin lain mukaan sähkövirta vastaa kuitenkin magneettivuon tiheyden roottorin ja sähkökentän aikaderivaatan erotusta, joten teho voidaan kirjoittaa myös muotoon
formula_8,
missä yhtälön oikea puoli ei sisällä suoraa viittausta varausjakaumaan vaan ainoastaan sähkö- ja magneettikenttiin.
Yllä olevan yhtälön oikea puoli sisältää kaksi termiä, joista jälkimmäinen voidaan kirjoittaa aikaderivaattana, sillä
formula_9.
Myös ensimmäisestä termistä voidaan erottaa aikaderivaattaa kuvaava osa. Tähän tarvitaan vektori-identiteettiä
formula_10.
Saatuun yhtälöön voidaan vielä soveltaa Faradayn lakia, jonka mukaan sähkökentän roottori vastaa magneettikentän aikaderivaattaa.
Näin saadaan Poyntingin teoreeman differentiaalimuoto
formula_11,
missä yhtälön vasemmalla puolella esiintyvä suure
formula_12,
voidaan tulkita sähkömagneettisen kentän sisältämäksi energiaksi, sillä se on yksinkertaisesti summa sähkö- ja magneettikenttien erikseen sisältämistä energioista. Yhtälön oikealla puolella esiintyvä suure
formula_13,
tunnetaan nimellä Poyntingin vektori. Se kuvaa sähkömagneettisen kentän energiavuota. Poyntingin teoreema on energian säilymislain erikoistapaus, joka kuvaa sähkömagneettisen kentän tekemää työtä, ja sitä miten energia virtaa sähkömagneettisessa kentässä.
Koska Poyntingin vektori ei esiinny Poyntingin yhtälössä suoraan vaan ainoastaan divergenssinä formula_14, voidaan siihen periaatteessa lisätä pyörrevirtoja, jotka voidaan esittää jonkin vektorikentän formula_15 roottorina formula_16 ja teoreema pysyy voimassa. Yhteensopivuus suhteellisuusteorian periaatteiden kanssa rajoittaa Poyntingin vektorin vapautta, mutta ei poista sitä kokonaan. Poyntingin vektori ei kuitenkaan ole havaittava suure, joten tämä mielivaltaisuus ei ole ongelma.
Liikemäärä.
Sähkömagneettisen säteilykvantin eli fotonin liikemäärä ja energia ovat suoraan verrannollisia toisiinsa:
 formula_17
missä "p" on liikemäärän suuruus, "E" on fotonin energia ja "c" on valonnopeus.
Vastaavasti myös sähkömagneettisen kentän liikemäärätiheys on suoraan verrannollinen Poyntingin vektoriin, 
formula_18.
Energiavuon lisäksi Poyntingin vektorin avulla voidaan siis kuvailla sähkömagneettiseen kenttään liittyvää liikemäärävuota. Koska sähkömagneettinen säteily kantaa liikemäärää, aiheuttaa sen absorboituminen kappaleeseen säteilypaineen.
Makroskooppiset kentät.
Yllä oleva johto on esitetty Maxwellin yhtälöiden mikroskooppisen muotoilun avulla, jossa ei käytetä mitään tiettyä mallia aineen rakenteelle. Poynting itse kuitenkin esitti teoreemansa makroskooppisten kenttien formula_19 ja formula_20 avulla. Poyntingin vektori saa tällöin muodon
formula_21.