Physics For Scientists And Engineers 6E - part 269

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 269

 

 

Consider  a  rectangle  of  width  dx and  height  !  lying  in  the  xy plane,  as  shown  in

Figure  34.5.  To  apply  Equation  34.3,  we  must  first  evaluate  the  line  integral  of 

E ! ds

around this rectangle. The contributions from the top and bottom of the rectangle are
zero because 

E is perpendicular to ds for these paths. We can express the electric field

on the right side of the rectangle as

while the field on the left side

2

is simply E(xt). Therefore, the line integral over this

rectangle is approximately

(34.15)

Because the magnetic field is in the direction, the magnetic flux through the rectangle
of area ! dx is approximately (

B

"

dx. (This assumes that dx is very small compared

with the wavelength of the wave.) Taking the time derivative of the magnetic flux gives

(34.16)

Substituting Equations 34.15 and 34.16 into Equation 34.3 gives

This expression is Equation 34.6.

In  a  similar  manner,  we  can  verify  Equation  34.7  by  starting  with  Maxwell’s  fourth

equation  in  empty  space  (Eq.  34.5).  In  this  case,  the  line  integral  of 

B!ds is evaluated

around a rectangle lying in the xz plane and having width dx and length !, as in Figure
34.6. Noting that the magnitude of the magnetic field changes from B(xt) to B(dxt)
over the width dx and that the direction in which we take the line integral is as shown in
Figure 34.6, the line integral over this rectangle is found to be approximately

(34.17)

The electric flux through the rectangle is (

E

"

Edx, which, when differentiated with

respect to time, gives

(34.18)

Substituting Equations 34.17 and 34.18 into Equation 34.5 gives

which is Equation 34.7.

 

+

B

+

x

" )

&

0

#

0

 

+

E

+

t

 

)

!

 

"

+

B

+

x

#

 dx " &

0

#

0

 

!

 

dx  

"

+

E

+

t

#

+

 

(

E

+

t

"

!

 

dx 

 

+

E

+

t

!

 

B!d

 

s " [B(xt)]! ) [B(dxt)]! $ )! 

"

+

B

+

x

#

 dx

 

+

E

+

x

" )

+

B

+

t

 

!

 

"

+

E

+

x

#

 dx " )!

 

dx  

+

B

+

t

d

 

(

B

dt

"

!

 

dx 

 

dB

dt

%

x constant

"

!

 

dx 

 

+

B

+

t

!

 

E!d

 

s " [E(dxt)]! ) [E(xt)]! $ ! 

"

+

E

+

x

#

 dx

E(dxt)

E(xt) '

d

 

E

dx

%

t constant

dx E(xt) '

+

E

+

x

 dx

S E C T I O N   3 4 . 2 •  Plane Electromagnetic Waves

1073

E + E

E

dx

!

y

x

z

B

Figure 34.5 At an instant when a

plane wave moving in the ' x

direction passes through a

rectangular path of width dx lying in

the xy plane, the electric field in the

direction varies from to E.

This spatial variation in gives rise

to a time-varying magnetic field

along the direction, according to

Equation 34.6.

2

Because dE/dx in this equation is expressed as the change in with at a given instant tdE/dx is

equivalent to the partial derivative +E/+x. Likewise, dB/dt means the change in with time at a particu-
lar position x, so in Equation 34.16 we can replace dB/dt with +B/+t.

B

E

B

dx

z

y

x

!

Figure 34.6 At an instant when a

plane wave passes through a

rectangular path of width dx lying

in the xz plane, the magnetic field

in the direction varies from to 

B. This spatial variation in B

gives rise to a time-varying electric

field along the direction,

according to Equation 34.7.

34.3 Energy Carried by Electromagnetic Waves

Electromagnetic  waves  carry  energy,  and  as  they  propagate  through  space  they  can
transfer energy to objects placed in their path. The rate of flow of energy in an electro-
magnetic wave is described by a vector 

S, called the Poynting vector, which is defined

by the expression

(34.19)

The  magnitude  of  the  Poynting  vector  represents  the  rate  at  which  energy  flows
through a unit surface area perpendicular to the direction of wave propagation. Thus,
the magnitude of the Poynting vector represents power per unit area. The direction of
the vector is along the direction of wave propagation (Fig. 34.7). The SI units of the
Poynting vector are J/s ! m

2

"

W/m

2

.

As an example, let us evaluate the magnitude of 

S for a plane electromagnetic wave

where 

& E ! B & " EB. In this case,

(34.20)

Because E/c, we can also express this as

These equations for apply at any instant of time and represent the instantaneous rate
at which energy is passing through a unit area.

What is of greater interest for a sinusoidal plane electromagnetic wave is the time

average of over one or more cycles, which is called the wave intensity I. (We discussed
the intensity of sound waves in Chapter 17.) When this average is taken, we obtain an
expression  involving  the  time  average  of  cos

2

(kx ) %t),  which  equals  .  Hence,  the

average value of (in other words, the intensity of the wave) is

(34.21)

Recall that the energy per unit volume, which is the instantaneous energy density

u

E

associated with an electric field, is given by Equation 26.13,

and that the instantaneous energy density u

B

associated with a magnetic field is given

by Equation 32.14:

u

B

"

B

 

2

2&

0

u

E

"

1

2

 

#

0

 

E

2

S

 

av

"

E

 

max

 B

 

max

2&

0

"

E

2

max

2&

0

c

"

c

2&

0

 B

2

max

1

2

"

E

2

&

0

c

"

c

&

0

 B

 

2

"

EB

&

0

S ' 

1

&

0

 

E ! B

1074

C H A P T E R   3 4 •  Electromagnetic Waves

PITFALL PREVENTION 

34.3 An Instantaneous

Value

The  Poynting  vector  given  by
Equation 

34.19 

is 

time-

dependent.  Its  magnitude  varies
in  time,  reaching  a  maximum
value  at  the  same  instant  as  the
magnitudes  of  and  do.  The
average rate  of  energy  transfer  is
given by Equation 34.21.

y

E

c

B

z

x

S

Figure 34.7 The Poynting vector for a plane electromag-

netic wave is along the direction of wave propagation.

Poynting vector

PITFALL PREVENTION 

34.4 Irradiance

In  this  discussion,  intensity  is
defined  in  the  same  way  as  in
Chapter  17  (as  power  per  unit
area). In the optics industry, how-
ever, power per unit area is called
the  irradiance,  and  radiant  inten-
sity  is  defined  as  the  power  in
watts  per  solid  angle  (measured
in steradians).

Wave intensity

Because and vary with time for an electromagnetic wave, the energy densities also vary
with time. When we use the relationships E/and 

, the expression for

u

B

becomes

Comparing this result with the expression for u

E

, we see that

That is, 

the instantaneous energy density associated with the magnetic field of an

electromagnetic wave equals the instantaneous energy density associated with the
electric field. Hence, in a given volume the energy is equally shared by the two fields.

The 

total instantaneous energy density is equal to the sum of the energy den-

sities associated with the electric and magnetic fields:

When this total instantaneous energy density is averaged over one or more cycles of an
electromagnetic  wave,  we  again  obtain  a  factor  of  .  Hence,  for  any  electromagnetic
wave, the total average energy per unit volume is

(34.22)

Comparing this result with Equation 34.21 for the average value of S, we see that

(34.23)

In  other  words, 

the  intensity  of  an  electromagnetic  wave  equals  the  average

energy density multiplied by the speed of light.

S

 

av

"

cu

 

av

u

 

av

"

#

0

 

(E

 

2

)

av

"

1

2

 

#

0

 

E

 

max

2

"

B

 

max

2

2&

0

1

2

u

E

'

u

B

"

#

0

 

E

 

2

"

B

 

2

&

0

u

B

"

u

E

"

1

2

 

#

0

 

E

 

2

"

B

 

2

2&

0

u

B

"

(E/c)

2

2&

0

"

#

0

&

0

2&

0

 E

 

2

"

1

2

 

#

0

 

E

 

2

" 1/

#

0

&

0

S E C T I O N   3 4 . 3 •  Energy Carried by Electromagnetic Waves

1075

Total instantaneous energy

density of an electromagnetic

wave

Average energy density of an

electromagnetic wave

Quick Quiz 34.2

An electromagnetic wave propagates in the ) direction.

The electric field at a point in space is momentarily oriented in the ' direction. The
magnetic field at that point is momentarily oriented in the (a) ) direction (b) ' y
direction (c) ' direction (d) ) direction.

Quick Quiz 34.3

Which of the following is constant for a plane electromag-

netic wave? (a) magnitude of the Poynting vector (b) energy density u

E

(c) energy den-

sity u

B

(d) wave intensity.

Example 34.2 Fields on the Page

the  intensity  of  an  electromagnetic  wave  is  also  given  by
Equation 34.21, we have

We  must  now  make  some  assumptions  about  numbers  to
enter  in  this  equation.  If  we  have  a  60-W  lightbulb,  its
output  at  5%  efficiency  is  approximately  3.0 W  by  visible
light.  (The  remaining  energy  transfers  out  of  the  bulb  by
conduction  and  invisible  radiation.)  A  reasonable  distance
from the bulb to the page might be 0.30 m. Thus, we have

"

"

av

4,r

 

2

"

E

2

max

2&

0

c

Estimate  the  maximum  magnitudes  of  the  electric  and
magnetic  fields  of  the  light  that  is  incident  on  this  page
because  of  the  visible  light  coming  from  your  desk  lamp.
Treat the bulb as a point source of electromagnetic radia-
tion  that  is  5%  efficient  at  transforming  energy  coming
in by  electrical  transmission  to  energy  leaving  by  visible
light.

Solution Recall from Equation 17.7 that the wave intensity
a distance from a point source is " "

av

/4,r

2

, where "

av

is  the  average  power  output  of  the  source  and  4,r

2

is  the

area of a sphere of radius centered on the source. Because

34.4 Momentum and Radiation Pressure

Electromagnetic waves transport linear momentum as well as energy. It follows that, as
this  momentum  is  absorbed  by  some  surface,  pressure  is  exerted  on  the  surface.  We
shall  assume  in  this  discussion  that  the  electromagnetic  wave  strikes  the  surface  at
normal incidence and transports a total energy to the surface in a time interval .t.
Maxwell showed that, if the surface absorbs all the incident energy in this time inter-
val  (as  does  a  black  body,  introduced  in  Section  20.7),  the  total  momentum 

p trans-

ported to the surface has a magnitude

(34.24)

The  pressure  exerted  on  the  surface  is  defined  as  force  per  unit  area  F/A.  Let  us
combine this with Newton’s second law:

If  we  now  replace  p,  the  momentum  transported  to  the  surface  by  radiation,  from
Equation 34.24, we have

We recognize (dU/dt)/as the rate at which energy is arriving at the surface per unit
area,  which  is  the  magnitude  of  the  Poynting  vector.  Thus,  the  radiation  pressure  P
exerted on the perfectly absorbing surface is

(34.25)

If the surface is a perfect reflector (such as a mirror) and incidence is normal, then

the momentum transported to the surface in a time interval .is twice that given by
Equation  34.24.  That  is,  the  momentum  transferred  to  the  surface  by  the  incoming
light is U/c, and that transferred by the reflected light also is U/c. Therefore,

(34.26)

The momentum delivered to a surface having a reflectivity somewhere between these
two extremes has a value between U/and 2U/c, depending on the properties of the
surface.  Finally,  the  radiation  pressure  exerted  on  a  perfectly  reflecting  surface  for
normal incidence of the wave is

3

(34.27)

"

2S

c

"

2U

c

   

(complete reflection)

"

S

c

"

1

A

 

dp

dt

"

1

A

 

d

dt

 

"

U

c

#

"

1

c

 

(dU/dt)

A

"

F

A

"

1

A

 

dp

dt

"

U

c

   

(complete absorption)

1076

C H A P T E R   3 4 •  Electromagnetic Waves

3

For oblique incidence on a perfectly reflecting surface, the momentum transferred is (2cos /)/c

and the pressure is " (2cos

2

/

)/where / is the angle between the normal to the surface and the

direction of wave propagation.

From Equation 34.14,

This  value  is  two  orders  of  magnitude  smaller  than  the
Earth’s  magnetic  field,  which,  unlike  the  magnetic  field  in
the light wave from your desk lamp, is not oscillating.

1.5 $ 10

)

7

 T

B

 

max

"

E

 

max

c

"

45 V/m

3.00 $ 10

8

 m/s

"

45 V/m

"

 "

(4, $ 10

)

7

 T!m/A)(3.00 $ 10

8

 m/s)(3.0 W)

2,(0.30 m)

2

E

 

max

"

&

0

c

  

"

av

2,r

 

2

PITFALL PREVENTION 

34.5 So Many p’s

We have for momentum and P
for  pressure,  and  these  are  both
related  to  " for  power!  Be  sure
you keep these all straight.

Radiation pressure exerted on a

perfectly absorbing surface

Momentum transported to a

perfectly absorbing surface

Radiation pressure exerted on a

perfectly reflecting surface

 

 

 

 

 

 

 

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