logo

맥스웰 방정식으로부터 전자기파빛의 속도 구하기 📂전자기학

맥스웰 방정식으로부터 전자기파빛의 속도 구하기

공식

진공에서의 맥스웰 방정식

E=0B=0×E=Bt×B=μ0ϵ0Et \begin{align} \nabla \cdot \mathbf{E} &= 0 \\[1em] \nabla \cdot \mathbf{B} &= 0 \\[1em] \nabla \times \mathbf{E} &= -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \\[1em] \nabla \times \mathbf{B} &= \mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \end{align}

1차원 파동방정식

2fx2=1v22ft2 \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}=\frac{1}{v^2}\frac{\partial^2 f}{\partial t^2}

3차원 파동방정식

2f=1v22ft2 \nabla ^2 f = \frac{1}{v^2}\frac{\partial ^2 f}{\partial t^2}

유도

맥스웰 방정식으로부터 E\mathbf{E}B\mathbf{B}에 관한 파동 방정식 꼴을 이끌어내는 것이 목적이다. (3)(3)에 컬(×)(\nabla \times)을 취해주면

×(×E)=×(Bt)=t(×B)=t(μ0ϵ0Et)=μ0ϵ02Et2 \begin{align*} \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) &= \nabla \times \left( -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) \\ &= -\frac{\partial }{\partial t} (\nabla \times \mathbf{B}) \\ &= -\frac{\partial}{\partial t} \left( \mu_{0}\epsilon_{0} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right) \\ &= -\mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial ^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} \end{align*}

3번째 등호는 (4)(4)에 의해 성립한다. 마찬가지로 (4)(4)에 컬을 취해주면

×(×B)=×(μ0ϵ0Et)=μ0ϵ0t(×E)=μ0ϵ02Bt2 \begin{align*} \nabla \times (\nabla \times \mathbf{B}) &= \nabla \times \left( \mu_{0} \epsilon_{0} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right) \\ &= \mu_{0}\epsilon_{0} \frac{\partial }{\partial t}(\nabla \times \mathbf{E}) \\ &= -\mu_{0}\epsilon_{0} \frac {\partial ^2 \mathbf{B} }{\partial t^2} \end{align*}

그리고 ×(×A)=(A)2A\nabla \times (\nabla \times \mathbf{A}) = \nabla(\nabla \cdot \mathbf{A})-\nabla^2\mathbf{A}이므로

×(×E)=(E)2E=μ0ϵ02Et2 \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = \nabla(\nabla \cdot \mathbf{E})-\nabla^2\mathbf{E}=-\mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial ^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}

×(×B)=(B)2B=μ0ϵ02Bt2 \nabla \times (\nabla \times \mathbf{B}) = \nabla(\nabla \cdot \mathbf{B})-\nabla^2\mathbf{B}=-\mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial ^2 \mathbf{B}}{\partial t^2}

마지막으로 E=0\nabla \cdot \mathbf{E}=0, B=0\nabla \cdot \mathbf{B}=0이므로

2E=μ0ϵ02Et2 \nabla ^2 \mathbf{E} = \mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial ^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}

2B=μ0ϵ02Bt2 \nabla ^2 \mathbf{B} = \mu_{0}\epsilon_{0}\frac{\partial ^2 \mathbf{B}}{\partial t^2}

이제 맥스웰 방정식에서 E\mathbf{E}B\mathbf{B}가 서로 떨어졌다. 살펴보면 3차원 파동방정식과 같은 형태임을 알 수 있다. 즉 전자기파의 속도는 1v2=μ0ϵ0\dfrac{1}{v^2}=\mu_{0}\epsilon_{0}에 의해 v=1μ0ϵ0=3.00×108m/sv=\dfrac{1}{\sqrt{\mu_{0}\epsilon_{0}}}=3.00\times 10^8 m/s이다. 놀랍게도 이는 빛의 속도와 같다. 즉, 빛은 전자기파의 일종이라고 추측할 수 있고 그 속도는 상수이다.