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麥克斯韋方程組的物理意義

 人老顛東 2023-10-22 發(fā)布于安徽

麥克斯韋總結(jié)了從庫侖到安培、法拉第以來電磁學(xué)的全部成就,并發(fā)揚(yáng)了法拉第場(chǎng)的思想,針對(duì)變化磁場(chǎng)能激發(fā)電場(chǎng)以及變化電場(chǎng)能激發(fā)磁場(chǎng)的現(xiàn)象,提出了有旋電場(chǎng)和位移電流,并歸納出電磁場(chǎng)的基本方程,即麥克斯韋電磁場(chǎng)的基本方程。

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在恒定電流磁場(chǎng)中的安培環(huán)路定理

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表明,磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合回路的環(huán)流等于此閉合回路所圍傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。那么在非恒定電流的情況下這個(gè)定律是否仍可用呢?

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首先從電流連續(xù)性問題談起。

在一個(gè)不含有電容器的閉合電路中,傳導(dǎo)電流是連續(xù)的,即任一時(shí)刻,流過導(dǎo)體上某一截面的電流是流過任何其它截面的電流是相等的,但在含有電容器的電路中情況就不同了,無論電容器是被充電還是放電,傳導(dǎo)電流都不能在電容器的兩極板間流過。這時(shí)傳導(dǎo)電流不連續(xù)了,這說明,在非恒定電流的情況下,安培環(huán)路定理是不適用的,必須尋求新的規(guī)律。為了修正安培環(huán)路定理,使之也適合非恒定電流的情形,于是麥克斯韋提出位移電流的假設(shè),并總結(jié)出全電流的安培環(huán)路定理:

磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合回路的環(huán)流等于穿過此閉合回路所圍面積的全電流

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麥克斯韋關(guān)于有旋電場(chǎng)和位移電流的兩個(gè)假設(shè)前者指出變化磁場(chǎng)要激發(fā)有旋電場(chǎng),后者指出變化電場(chǎng)要激發(fā)有旋磁場(chǎng)這兩個(gè)假設(shè)揭示了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系。

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麥克斯韋認(rèn)為靜電場(chǎng)的高斯定理和磁場(chǎng)的高斯定理不僅適用于靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng),也適用于一般電磁場(chǎng),為了得到電磁場(chǎng)的四個(gè)基本方程,首先:

1. 靜電場(chǎng)的高斯定理圖片

2. 靜電場(chǎng)的環(huán)流定理圖片

3. 磁場(chǎng)的高斯定理圖片

4. 安培環(huán)路定理圖片

麥克斯韋在引入有旋電場(chǎng)和位移電流兩個(gè)重要概念后,將靜電場(chǎng)的環(huán)流定理修改為:

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將安培環(huán)路定理修改為:

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于是得到適用于一般電場(chǎng)的電磁場(chǎng)的四個(gè)基本方程:

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這就是麥克斯韋的四個(gè)方程組,全面反映了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本性質(zhì),并把電磁場(chǎng)作為一個(gè)統(tǒng)一的整體,用統(tǒng)一的觀點(diǎn)闡明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的聯(lián)系。

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因此,麥克斯韋方程組是對(duì)電磁場(chǎng)基本規(guī)律所做的總結(jié)性、統(tǒng)一性的簡明而完美的描述。

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