величины, характеризующие электромагнитное поле. В электростатике векторное электрическое поле можно характеризовать одной скалярной функцией - потенциалом электростатическим (См.
Потенциал электростатический)
. В общем случае для описания произвольного электромагнитного поля вместо двух векторов - магнитной индукции (См.
Магнитная индукция)
В и напряжённости электрического поля (См.
Напряжённость электрического поля)
Е можно ввести две др. величины: векторный
потенциал А (
х, у, z, t) и скалярный
потенциал φ(x,
у, z, t) (где
х, у, z - координаты,
t - время), при этом
В и
Е однозначно выражаются через
А и φ
В = rot А,
E = -gradφ
, (1)
где с - скорость света в вакууме.
Уравнения для потенциалов поля имеют более простую форму, чем исходные
Максвелла уравнения, и поэтому введение П. э. п. упрощает задачу нахождения переменных электромагнитных полей. Существенное упрощение уравнений для П. э. п. возможно благодаря тому, что потенциалы определяются неоднозначно. Если вместо
А и φ выбрать новые потенциалы
А' = А + gradχ,
, (2)
где χ - произвольная функция координат и времени, то векторы В и Е, определяемые уравнениями (1), не изменятся. Инвариантность электромагнитного поля по отношению к преобразованиям потенциалов (2) носит название калибровочной или градиентной инвариантности. Калибровочная инвариантность позволяет наложить на П. э. п. дополнительное условие. Обычно таким дополнительным условием является условие Лоренца:
div
A +
, (3)
где ε и μ- диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. При использовании условия (3) уравнения для П. э. п. в однородной среде (ε = const, μ = const), получаемые из уравнений Максвелла, приобретают одинаковую форму:
, (4)
;
здесь Δ-
Лапласа оператор, ρ и
j - плотности заряда и тока, a υ
=
- скорость распространения электромагнитного поля в среде. Если ρ = 0 и
j =
0
, то П. э. п. удовлетворяют волновым уравнениям (См.
Волновое уравнение)
.
Уравнения (4) позволяют определить потенциалы
А и φ по известному распределению зарядов и токов, а следовательно, с помощью формул (1) - характеристики электромагнитного поля
В и
Е. Частные решения уравнений (4), удовлетворяющие
Причинности принципу
, называют запаздывающими потенциалами. Запаздывающие потенциалы в точке с координатами
х, у, z в момент времени
t определяются плотностями заряда и тока в точке с координатами
х', у', z' в предшествующий момент времени τ =
t - R/υ
, где
- расстояние от источника поля до точки наблюдения.
Если заряды и токи распределены в конечной области пространства G, то запаздывающие потенциалы определяются суммированием (интегрированием) элементарных потенциалов от зарядов и токов, сосредоточенных в бесконечно малых объёмах dx'dy'dz', с учётом времени запаздывания:
φ (
х, у, z, t) =
,
A (
х, у, z, t) =
,
Через П. э. п. выражается функция Гамильтона Н заряженной частицы, движущейся в электромагнитном поле:
, (6)
где
p - импульс частицы,
e и
m - ее заряд и масса. Соответственно через П. э. п. выражается оператор Гамильтона (гамильтониан) в квантовой механике (См.
Квантовая механика)
.
Г. Я. Мякишев.