1219:
5703:
892:
2459:
5309:
1214:{\displaystyle {\begin{aligned}&{\mathbf {\nabla } }\cdot {\mathbf {D} }\left({\mathbf {r} },t\right)=\rho \,\\&{\mathbf {\nabla } }\times {\mathbf {H} }\left({\mathbf {r} },t\right)-{\frac {\partial }{\partial t}}{\mathbf {D} }\left({\mathbf {r} },t\right)={\mathbf {J} }\,\\&{\mathbf {\nabla } }\times {\mathbf {E} }\left({\mathbf {r} },t\right)+{\frac {\partial }{\partial t}}{\mathbf {B} }\left({\mathbf {r} },t\right)=0\,\\&{\mathbf {\nabla } }\cdot {\mathbf {B} }\left({\mathbf {r} },t\right)=0\,.\end{aligned}}}
5698:{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathbf {u} }({\mathbf {r} },t)&={\frac {1}{2v({\mathbf {r} },t)}}{\mathbf {\nabla } }v({\mathbf {r} },t)={\frac {1}{2}}{\mathbf {\nabla } }\left\{\ln v({\mathbf {r} },t)\right\}=-{\frac {1}{2}}{\mathbf {\nabla } }\left\{\ln n({\mathbf {r} },t)\right\}\\{\mathbf {w} }({\mathbf {r} },t)&={\frac {1}{2h({\mathbf {r} },t)}}{\mathbf {\nabla } }h({\mathbf {r} },t)={\frac {1}{2}}{\mathbf {\nabla } }\left\{\ln h({\mathbf {r} },t)\right\}\,\end{aligned}}}
2191:
33:
5228:
3531:
7144:
2454:{\displaystyle {\begin{aligned}{\rm {i}}\,{\frac {\partial }{\partial t}}{\mathbf {F} }^{\pm }\left({\mathbf {r} },t\right)&=\pm v\,{\mathbf {\nabla } }\times {\mathbf {F} }^{\pm }\left({\mathbf {r} },t\right)-{\frac {1}{\sqrt {2\epsilon \,}}}({\rm {i}}\,{\mathbf {J} })\\{\mathbf {\nabla } }\cdot {\mathbf {F} }^{\pm }\left({\mathbf {r} },t\right)&={\frac {1}{\sqrt {2\varepsilon \,}}}(\rho )\,.\end{aligned}}}
4910:
4168:
5023:
3322:
2042:
6261:
4508:
4000:
3311:
5223:{\displaystyle {\begin{aligned}{\text{ Velocity function:}}\,v({\mathbf {r} },t)&={\frac {1}{\sqrt {\epsilon ({\mathbf {r} },t)\mu ({\mathbf {r} },t)}}}\\{\text{Resistance function:}}\,h({\mathbf {r} },t)&={\sqrt {\frac {\mu ({\mathbf {r} },t)}{\epsilon ({\mathbf {r} },t)}}}\,.\end{aligned}}}
7192:
of matrix equations. In this representation, using 8 × 8 matrices, it has been possible to separate the dependence of the coupling between the upper components (Ψ) and the lower components (Ψ) through the two laboratory functions. Moreover, the exact matrix representation has an algebraic structure
7243:
is an approximation as one neglects the spatial and temporal derivatives of the permittivity and permeability of the medium. A new formalism of light beam optics has been developed, starting with the
Maxwell's equations in a matrix form: a single entity containing all the four Maxwell's equations.
3526:{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\partial }{\partial t}}\Psi ^{+}&=-v\left\{{\mathbf {M} }\cdot {\mathbf {\nabla } }\right\}\Psi ^{+}-W^{+}\,\\{\frac {\partial }{\partial t}}\Psi ^{-}&=-v\left\{{\mathbf {M} }^{*}\cdot {\mathbf {\nabla } }\right\}\Psi ^{-}-W^{-}\,\end{aligned}}}
3836:
7139:{\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {\partial }{\partial t}}\left\left-{\frac {{\dot {v}}({\mathbf {r} },t)}{2v({\mathbf {r} },t)}}\left\left+{\frac {{\dot {h}}({\mathbf {r} },t)}{2h({\mathbf {r} },t)}}\left\left\\&=-v({\mathbf {r} },t)\left\left-\left\left\,\end{aligned}}}
1618:
3985:
6011:
3681:
2940:
878:. A matrix representation for an inhomogeneous medium was presented using a pair of matrix equations. A single equation using 4 × 4 matrices is necessary and sufficient for any homogeneous medium. For an inhomogeneous medium it necessarily requires 8 × 8 matrices.
4905:{\displaystyle {\begin{aligned}M_{x}M_{z}=-M_{z}M_{x}\,\\M_{y}M_{z}=-M_{z}M_{y}\,\\\\M_{x}^{2}=M_{y}^{2}=M_{z}^{2}=I\,\\\\M_{x}M_{y}=-M_{y}M_{x}={\rm {i}}M_{z}\,\\M_{y}M_{z}=-M_{z}M_{y}={\rm {i}}M_{x}\,\\M_{z}M_{x}=-M_{x}M_{z}={\rm {i}}M_{y}\,.\end{aligned}}}
4163:{\displaystyle \Omega ={\begin{bmatrix}{\mathbf {0} }&-{\mathbf {I} _{2}}\\{\mathbf {I} _{2}}&{\mathbf {0} }\end{bmatrix}}\,\qquad \beta ={\begin{bmatrix}{\mathbf {I} _{2}}&{\mathbf {0} }\\{\mathbf {0} }&-{\mathbf {I} _{2}}\end{bmatrix}}\,,}
1531:
2951:
1285:
4338:
4243:
6250:
3689:
5293:
2037:{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathbf {F} }^{+}\left({\mathbf {r} },t\right)&={\frac {1}{\sqrt {2\,}}}\left\\{\mathbf {F} }^{-}\left({\mathbf {r} },t\right)&={\frac {1}{\sqrt {2\,}}}\left\,.\end{aligned}}}
4455:
Each of the four
Maxwell's equations are obtained from the matrix representation. This is done by taking the sums and differences of row-I with row-IV and row-II with row-III respectively. The first three give the
5782:
3844:
5800:
3553:
2505:
2088:
1332:
2564:
2183:
6266:
5805:
5314:
5028:
4513:
3327:
2956:
2569:
2196:
1623:
897:
2548:
2131:
1379:
1439:
855:
590:
1566:
4451:
1603:
563:
4375:
3306:{\displaystyle {\begin{aligned}W^{+}&=\left({\frac {1}{\sqrt {2\epsilon }}}\right)\left\,\quad W^{-}=\left({\frac {1}{\sqrt {2\epsilon }}}\right)\left\,.\end{aligned}}}
1407:
575:
1427:
1234:
8055:
2558:
In order to obtain a single matrix equation instead of a pair, the following new functions are constructed using the components of the
Riemann–Silberstein vector
7825:
4253:
8144:
7555:
7726:(1974). (unpublished notes), quoted after Mignani, R., Recami, E., and Baldo, M. About a Diraclike Equation for the Photon, According to Ettore Majorana.
826:
4176:
595:
6045:
605:
7217:
One of the early uses of the matrix forms of the
Maxwell's equations was to study certain symmetries, and the similarities with the Dirac equation.
4391:
4387:
3831:{\displaystyle M_{y}={\rm {i}}{\begin{bmatrix}0&0&-1&0\\0&0&0&-1\\+1&0&0&0\\0&+1&0&0\end{bmatrix}},}
8023:
430:
7494:
7447:
5239:
7677:
5011:
3980:{\displaystyle M_{z}={\begin{bmatrix}+1&0&0&0\\0&+1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&-1\end{bmatrix}}\,.}
445:
67:
7783:
6006:{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathbf {\Sigma } }=\left\,\qquad {\mathbf {\alpha } }=\left\,\qquad {\mathbf {I} }=\left\,\end{aligned}}}
5714:
7248:
in a unified manner. The beam-optical
Hamiltonian derived from this matrix representation has an algebraic structure very similar to the
4935:
the
Riemann–Silberstein vector has certain advantages over the other possible choices. The Riemann–Silberstein vector is well known in
3676:{\displaystyle M_{x}={\begin{bmatrix}0&0&1&0\\0&0&0&1\\1&0&0&0\\0&1&0&0\end{bmatrix}},}
7643:
325:
7818:
57:
8170:
2935:{\displaystyle {\begin{aligned}\Psi ^{+}({\mathbf {r} },t)&=\left\,\quad \Psi ^{-}({\mathbf {r} },t)=\left\,.\end{aligned}}}
7253:
2467:
2050:
1382:
1294:
240:
7221:
1609:
7971:
7669:
7635:
7434:
2464:
Thus by using the
Riemann–Silberstein vector, it is possible to reexpress the Maxwell's equations for a medium with constant
819:
585:
62:
2140:
600:
305:
7811:
465:
455:
440:
205:
72:
7793:
505:
195:
8108:
4942:
In deriving the above 4×4 matrix representation of the
Maxwell's equations, the spatial and temporal derivatives of ε(
758:
633:
530:
425:
7939:
7912:
258:
7737:
Moses, E. (1959).Solutions of
Maxwell's equations in terms of a spinor notation: the direct and inverse problems.
7235:. Geometrical optics can be completely derived from the Maxwell's equations. This is traditionally done using the
4936:
1526:{\displaystyle v({\mathbf {r} },t)={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon ({\mathbf {r} },t)\,\mu ({\mathbf {r} },t)\,}}}}
812:
773:
300:
290:
230:
225:
165:
5794:
The following matrices naturally arise in the exact matrix representation of the
Maxwell's equation in a medium
8165:
8045:
7165:), the logarithmic gradient of the resistance function. These three matrices, for the resistance function are
2510:
2093:
1341:
743:
623:
310:
886:
Maxwell's equations in the standard vector calculus formalism, in an inhomogeneous medium with sources, are:
7510:
748:
718:
150:
140:
135:
8129:
7991:
7202:
7172:
The Maxwell's equations have been expressed in a matrix form for a medium with varying permittivity ε = ε(
5300:
570:
340:
115:
7256:. This approach is very similar to one developed for the quantum theory of charged-particle beam optics.
1540:
8134:
8103:
7966:
7887:
1386:
668:
355:
345:
295:
285:
32:
7232:
7194:
4416:
1571:
8093:
7917:
7877:
7539:
4480:
875:
859:
793:
693:
658:
410:
275:
175:
160:
95:
4958:) in the first two of the Maxwell's equations have been ignored. The ε and μ have been treated as
200:
8068:
7927:
7922:
7907:
7882:
7859:
7835:
7491:
7444:
7245:
7206:
4487:
4399:
4347:
3537:
753:
733:
728:
535:
520:
405:
375:
270:
1392:
8124:
8001:
7996:
7949:
7789:
7779:
7420:
7236:
7228:
7198:
7150:
4491:
4469:
871:
628:
368:
170:
130:
7597:
8139:
8088:
8033:
8013:
7899:
7748:
7673:
7665:
7639:
7631:
5015:
850:
688:
7531:
1280:{\displaystyle {\mathbf {D} }=\varepsilon \mathbf {E} \,,\quad \mathbf {B} =\mu \mathbf {H} }
8078:
8018:
7944:
7794:
Nachtrag zur Abhandlung ber Elektromagnetische Grundgleichungen in bivektorieller Behandlung
7709:
7506:
7401:
7240:
5788:
4395:
840:
788:
703:
663:
653:
540:
495:
478:
395:
330:
100:
24:
7389:
Bialynicki-Birula, I. (1994). On the wave function of the photon. Acta Physica Polonica A,
7188:), in presence of sources. This representation uses a single matrix equation, instead of a
8098:
8008:
7954:
7854:
7723:
7498:
7451:
4407:
1412:
867:
863:
723:
648:
643:
510:
385:
350:
245:
210:
110:
6761:
4333:{\displaystyle M_{x}=-\beta \Omega ,\qquad M_{y}={\rm {i}}\Omega ,\qquad M_{z}=\beta \,.}
763:
8028:
7983:
7961:
7849:
7752:
7583:
7405:
7249:
6037:
6029:
6021:
4499:
1430:
683:
678:
500:
390:
315:
265:
215:
188:
145:
120:
90:
83:
7566:
Maxwell Optics: I. An exact matrix representation of the Maxwell equations in a medium
8159:
7166:
798:
783:
768:
708:
420:
335:
320:
235:
220:
125:
7375:(Jagannathan et al., 1989, Jagannathan, 1990, Jagannathan and Khan 1996, Khan, 1997)
8063:
7705:
7653:
7502:
7477:
1335:
1225:
778:
673:
638:
580:
515:
400:
280:
155:
7766:
7514:
7044:
7001:
6686:
6608:
6501:
6449:
6342:
6290:
5951:
5887:
5823:
4238:{\displaystyle \mathbf {I} _{2}={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}}\,,}
435:
7687:
7601:
7244:
Such a prescription is sure to provide a deeper understanding of beam-optics and
7469:
7193:
very similar to the Dirac equation. Maxwell's equations can be derived from the
6245:{\displaystyle {\mathbf {\sigma } }=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})=\left}
698:
550:
380:
42:
8083:
8073:
7455:
4495:
4473:
415:
7934:
7803:
7762:
7712:(1931). Applications of spinor analysis to the Maxwell and Dirac Equations.
7699:
7613:
7424:
7409:
7149:
The above representation contains thirteen 8 × 8 matrices. Ten of these are
1608:
One possible way to obtain the required matrix representation is to use the
738:
713:
525:
450:
47:
7579:
7527:
7473:
4378:
Which only differ by a sign. For our purpose it is fine to use either Ω or
7220:
The matrix form of the Maxwell's equations is used as a candidate for the
7153:. The exceptional ones are the ones that contain the three components of
7683:
7661:
7573:
7565:
7428:
7416:
4970:
In an inhomogeneous medium, the spatial and temporal variations of ε = ε(
3547:
is a vector whose component elements are abstract 4×4 matricies given by
490:
485:
105:
5288:{\displaystyle \varepsilon ={\frac {1}{vh}}\,,\quad \mu ={\frac {h}{v}}}
7543:
844:
460:
7515:
Quantum theory of magnetic electron lenses based on the Dirac equation
8038:
545:
52:
5777:{\displaystyle n({\mathbf {r} },t)={\frac {c}{v({\mathbf {r} },t)}}}
7547:
7759:, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, Massachusetts, USA.
7627:
5299:
These functions occur in the matrix representation through their
2137:
scalar constants under certain approximations), then the vectors
7784:
Elektromagnetische Grundgleichungen in bivektorieller Behandlung
7551:
7807:
7649:
7619:
7561:
4931:
continues to satisfy the algebra of the Dirac matrices. The Ψ
7456:
Quantum theory of electron lenses based on the Dirac equation
7622:. (2006b). Wavelength-Dependent Effects in Light Optics. in
7396:
Bialynicki-Birula, I. (1996a). The Photon Wave Function. In
4923:
unique. Different choices of Ψ would give rise to different
7692:
Optik-International Journal for Light and Electron Optics
7606:
Optik-International Journal for Light and Electron Optics
2500:{\displaystyle \varepsilon =\varepsilon (\mathbf {r} ,t)}
2083:{\displaystyle \varepsilon =\varepsilon (\mathbf {r} ,t)}
1327:{\displaystyle \varepsilon =\varepsilon (\mathbf {r} ,t)}
7626:, Editors: Volodymyr Krasnoholovets and Frank Columbus,
7654:
The Foldy-Wouthuysen Transformation Technique in Optics
7602:
The Foldy-Wouthuysen Transformation Technique in Optics
7096:
6203:
6153:
6114:
4200:
4092:
4015:
3866:
3718:
3575:
3171:
3004:
2788:
2613:
7584:
An Exact Matrix Representation of Maxwell's Equations
6264:
6048:
5803:
5717:
5312:
5242:
5026:
4511:
4419:
4350:
4256:
4179:
4003:
3847:
3692:
3556:
3325:
2954:
2567:
2513:
2470:
2194:
2178:{\displaystyle {\mathbf {F} }^{\pm }(\mathbf {r} ,t)}
2143:
2096:
2053:
1621:
1574:
1543:
1442:
1415:
1395:
1344:
1297:
1237:
895:
7239:. The derivation of the Helmholtz equation from the
8117:
8054:
7982:
7898:
7870:
7842:
7285:
7283:
7138:
6244:
6005:
5776:
5697:
5287:
5222:
4904:
4445:
4369:
4332:
4237:
4162:
3979:
3830:
3675:
3525:
3305:
2934:
2542:
2499:
2453:
2177:
2125:
2082:
2036:
1597:
1560:
1525:
1421:
1401:
1373:
1326:
1279:
1213:
7478:Quantum theory of the optics of charged particles
4939:and has certain interesting properties and uses.
7201:by the process of "wavization" analogous to the
7532:Quantum Theory of Charged-Particle Beam Optics
7488:, Academic Press, San Diego, pp. 257–358.
7819:
5006:), it is advantageous to use the two derived
820:
8:
7298:(Jackson, 1998; Panofsky and Phillips, 1962)
4986:) are not zero. That is they are no longer
7767:Maxwell's Equations From Geometrical Optics
2133:are scalar constants (or can be treated as
7826:
7812:
7804:
4382:. However, they have a different meaning:
827:
813:
31:
15:
7700:http://www.elsevier-deutschland.de/ijleo/
7614:http://www.elsevier-deutschland.de/ijleo/
7317:
7315:
7313:
7131:
7117:
7103:
7095:
7077:
7076:
7068:
7067:
7057:
7056:
7048:
7047:
7043:
7022:
7008:
7000:
6977:
6976:
6967:
6961:
6960:
6950:
6949:
6940:
6934:
6933:
6919:
6904:
6903:
6894:
6888:
6887:
6872:
6871:
6858:
6843:
6842:
6833:
6832:
6818:
6817:
6800:
6799:
6790:
6789:
6780:
6779:
6770:
6769:
6760:
6741:
6740:
6707:
6693:
6685:
6667:
6666:
6658:
6645:
6644:
6634:
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6620:
6612:
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6607:
6585:
6584:
6558:
6557:
6543:
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6539:
6522:
6508:
6500:
6482:
6481:
6473:
6472:
6462:
6461:
6453:
6452:
6448:
6426:
6425:
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6398:
6384:
6383:
6380:
6363:
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6322:
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6263:
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6165:
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2543:{\displaystyle \mu =\mu (\mathbf {r} ,t)}
2526:
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2145:
2142:
2126:{\displaystyle \mu =\mu (\mathbf {r} ,t)}
2109:
2095:
2066:
2052:
2026:
2004:
2003:
1992:
1991:
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1972:
1971:
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1958:
1952:
1951:
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1394:
1374:{\displaystyle \mu =\mu (\mathbf {r} ,t)}
1357:
1343:
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1167:
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1012:
1011:
996:
976:
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963:
954:
953:
947:
924:
923:
912:
911:
902:
901:
896:
894:
7658:Advances in Imaging and Electron Physics
7558:, where the doctoral research was done).
7482:Advances in Imaging and Electron Physics
7441:, Third Edition, John Wiley & Sons.
7277:(Bialynicki-Birula, 1994, 1996a, 1996b)
7270:
576:Electromagnetism and special relativity
23:
8024:Atomic, molecular, and optical physics
7624:New Topics in Quantum Physics Research
7574:https://arxiv.org/abs/physics/0205083/
7556:The Institute of Mathematical Sciences
6255:Finally, the matrix representation is
7796:. Ann. Phys. (Leipzig), 24, 783–784.
7688:Maxwell Optics of Quasiparaxial Beams
2550:as a pair of constitutive equations.
596:Maxwell equations in curved spacetime
7:
7786:, Ann. Phys. (Leipzig), 22, 579–586.
4494:. Moreover, they satisfy the usual (
4343:Alternately, one may use the matrix
7757:Classical Electricity and Magnetics
7412:(ed.), Plenum Press, New York, 313.
1561:{\displaystyle \varepsilon _{0}=\,}
870:. These representations are for a
7550:. (complete thesis available from
7019:
7005:
6951:
6873:
6819:
6781:
6704:
6690:
6646:
6622:
6519:
6505:
6360:
6346:
6276:
6272:
6177:
6166:
5647:
5605:
5489:
5428:
5386:
4879:
4808:
4737:
4420:
4394:. The matrix Ω corresponds to the
4360:
4303:
4298:
4276:
4004:
3708:
3496:
3485:
3439:
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3425:
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3385:
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1106:
1102:
1059:
1002:
998:
955:
903:
856:formulation of Maxwell's equations
14:
4990:constant. Instead of using ε = ε(
4446:{\displaystyle \Omega =J^{-1}\,.}
7398:Coherence and Quantum Optics VII
7233:Fermat's principle of least time
7078:
7069:
7058:
7049:
6978:
6962:
6935:
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4066:
4051:
4033:
4020:
3469:
3375:
2945:The vectors for the sources are
2766:
2587:
2527:
2484:
2395:
2377:
2352:
2304:
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2067:
2005:
1993:
1973:
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1771:
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1698:
1647:
1629:
1598:{\displaystyle \mu _{0}=4\pi \,}
1505:
1482:
1451:
1358:
1311:
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1252:
1240:
1181:
1169:
1129:
1117:
1081:
1069:
1046:
1025:
1013:
977:
965:
925:
913:
8145:Timeline of physics discoveries
7630:, New York, pp. 163–204. (
7415:Bialynicki-Birula, I. (1996b).
5935:
5871:
5268:
4309:
4282:
4080:
3994:-matrices may be formed using:
3129:
2750:
1260:
7664:, Amsterdam, pp. 49–78. (
6753:
6737:
6597:
6581:
6570:
6554:
6438:
6422:
6411:
6395:
6098:
6059:
5768:
5752:
5737:
5721:
5682:
5666:
5629:
5613:
5597:
5581:
5559:
5543:
5524:
5508:
5463:
5447:
5410:
5394:
5378:
5362:
5340:
5324:
5205:
5189:
5181:
5165:
5148:
5132:
5113:
5097:
5091:
5075:
5056:
5040:
2777:
2761:
2598:
2582:
2537:
2523:
2494:
2480:
2440:
2434:
2357:
2339:
2172:
2158:
2120:
2106:
2077:
2063:
1984:
1968:
1911:
1895:
1782:
1766:
1709:
1693:
1516:
1500:
1493:
1477:
1462:
1446:
1368:
1354:
1321:
1307:
849:matrix representations of the
1:
7656:, In Hawkes Peter, W. (ed.),
7480:. In Hawkes Peter, W. (ed.),
6028:are the matrices used in the
5233:In terms of these functions:
4370:{\displaystyle J=-\Omega \,.}
601:Relativistic electromagnetism
7252:, making it amenable to the
4413:Note the important relation
1402:{\displaystyle \varepsilon }
1389:). For a homogeneous medium
8109:Quantum information science
4472:and the last one gives the
1224:The media is assumed to be
8187:
7940:Classical electromagnetism
7348:(Bialynicki-Birula, 1996b)
7307:Silberstein (1907a, 1907b)
7254:Foldy-Wouthuysen technique
1610:Riemann–Silberstein vector
1433:in the medium is given by
1383:permeability of the medium
1336:permittivity of the medium
843:, a branch of fundamental
326:Liénard–Wiechert potential
7439:Classical Electrodynamics
7321:Bialynicki-Birula (1996b)
7180:) and permeability μ = μ(
4937:classical electrodynamics
874:, an approximation in an
591:Mathematical descriptions
301:Electromagnetic radiation
291:Electromagnetic induction
231:Magnetic vector potential
226:Magnetic scalar potential
8046:Condensed matter physics
7728:Lettere al Nuovo Cimento
5033: Velocity function:
4927:, such that the triplet
2047:If for a certain medium
7628:Nova Science Publishers
7612:(10), pp. 481–488
5301:logarithmic derivatives
141:Electrostatic induction
136:Electrostatic discharge
8130:Nobel Prize in Physics
7992:Relativistic mechanics
7552:Dspace of IMSc Library
7140:
6246:
6036:is the triplet of the
6007:
5778:
5699:
5289:
5224:
4906:
4498:-like) algebra of the
4447:
4371:
4334:
4239:
4164:
3981:
3832:
3677:
3527:
3307:
2936:
2544:
2501:
2455:
2179:
2127:
2084:
2038:
1599:
1562:
1527:
1423:
1403:
1375:
1328:
1281:
1215:
571:Electromagnetic tensor
8135:Philosophy of physics
7431:, Amsterdam, 245–294.
7141:
6247:
6008:
5779:
5700:
5290:
5225:
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