其中, 为单位并矢。若令(5a)-(5c)公式中的矢量 、标量 ,则有
将(6a)-(6c)式代入(4)式中的第一个关于 的中括号项,便给出
同理,可以处理(4)式中的第二个关于 的中括号项,给出
(7b)
将(7a)式、(7b)式代入(4)式,得
(8)
这就是电磁场动量守恒定律的数学表达式。将(8)式与(1)式比较,可以给出电磁场的动量密度矢量、动量流密度张量分别为
(9)
(10)
可以看出, 和 的单位分别是牛顿·秒和牛顿/米。
对应于(8)式的积分形式为
(11)
其中,面元 , 为闭合面的单位外法向。若V为全空间,则 ,有 ,即 ,机械动量与场动量在V内相互转化。若电磁场是时稳的,则体积V内电荷系统所受的力(或场施于V内带电体的力)为
(12)
其中
(13)
需要注意, 与 差一负号,其意义是不同的。
(10)式所对应的分量式可以写为
(14)
其中, 为克朗乃克符号,即 。可见,在三维空间中, 有9个分量或元素。若用矩阵形式将张量 表示出来,则为如下的3×3的方阵
(15)
可见, 表示通过垂直于 轴的单位面积流过的动量的第 轴向分量,或者说是向着 轴向、施加于 轴向的单位截面的作用力。在(15)式中,对角元 给出作用于垂直 轴的单位截面上的张应力,而交叉的非对角元 则代表作用于垂直 轴单位截面上的 轴向的切应力。
3 介质中电磁场的应力张量
如文献[2]所述,电磁理论是非常成熟的,但一旦涉及到介质,其中的动量、力平衡等问题仍然存在一些争议,直到现在仍有大量文献依据不同的论据作出分析,并在不同的实际问题中选择性地采用不同的形式[7-9]。主要体现在介质中的电磁场动量密度 、应力张量 该取何种形式,究其原因,认为理论的解决或结果与实验事实之间存在一定的不匹配,尤其是客观介质具有多样性与复杂性,例如:各向同性与各向异性、线性与非线性、色散与吸收、磁性与非磁性、均匀与非均匀、介电与导电、面效应与体效应,等等,使得实验事实难能包容在统一的理论框架下予以圆满解释。在历史上,涉及到介质中的电磁场动量、应力张量,著名的表示[7,8]就有至少四种不同形式,为了便于比较,现特汇总在表1之中[注:表中的应力张量 与常见表示相差一负号,代表场施于电荷电流体的作用力]。
表1:著名的电磁场动量和应力张量表示
表示 动量密度 应力张量 公式序号
闵可夫斯基(Minkowski)
洛仑兹(Lorentz)
爱因斯坦—劳布(Einstein-Laub)
亚伯拉罕(Abraham)
由表1可见,在形式上各式极其相似,但仔细区分却十分微妙,各式只在真空情况下才完全一样。根据参考文献和作者的理解与认识,现将结果比较及评述列于表2。
表2:不同表示的比较与评述文献综述