麦克斯韦方程组(英语:Maxwell's equations),是英国物理学家
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成:描述电荷如何产生电场的
高斯定律、论述
磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。
从麦克斯韦方程组,可以推论出
电磁波在真空中以光速传播,并进而做出光是电磁波的猜想。麦克斯韦方程组和
洛伦兹力方程是经典电磁学的基础方程。从这些基础方程的相关理论,发展出现代的电力科技与电子科技。
麦克斯韦在1865年提出的最初形式的方程组由20个等式和20个变量组成。他在1873年尝试用
四元数来表达,但未成功。现在所使用的数学形式是奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯于1884年以矢量分析的形式重新表达的。
中文名
麦克斯韦方程组
外文名
Maxwell's equations
提出者
麦克斯韦(J. Maxwell)
适用学科
物理学、电磁学
快速
导航
方程组成
表达形式
适用尺度
意义
科学意义
历史背景
麦克斯韦诞生前的半个多世纪,人类对电磁现象的认识取得了很大的进展。1785年,法国物理学家C. A.库仑(Charles A. Coulomb)在扭秤实验结果的基础上,建立了说明两个点电荷之间相互作用力的库仑定律。1820年,H. C.奥斯特 (Hans Christian Oersted)发现电流能使磁针偏转,从而把电与磁联系起来。其后,A. M.安培(Andre Marie Ampère)研究了电流之间的相互作用力,提出了许多重要概念和安培环路定律。M.法拉第(Michael Faraday)在很多方面有杰出贡献,特别是1831年发表的电磁感应定律,是电机、变压器等设备的重要理论基础。
1845年,关于电磁现象的三个最基本的实验定律:库仑定律(1785年)、毕奥-萨伐尔定律(1820年)、
法拉第电磁感应定律(1831 ~ 1845年)已被总结出来,法拉第的“电力线”和“磁力线”(现在也叫做“电场线”与“
磁感线”)概念已发展成“电磁场概念”。1855年至1865年,麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、
毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上,把数学分析方法带进了电磁学的研究领域,由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生。
在麦克斯韦之前,关于电磁现象的学说都以超距作用观念为基础,认为带电体、磁化体或载流导体之间的相互作用,都是可以超越中间媒质而直接进行并立即完成的,即认为电磁扰动的传播速度无限大。在那个时期,持不同意见的只有法拉第。他认为上述这些相互作用与中间媒质有关,是通过中间媒质的传递而进行的,即主张间递学说。
麦克斯韦继承了法拉第的观点,参照
流体力学的模型,应用严谨的数学形式总结了前人的工作,提出了位移电流的假说,推广了电流的涵义,将电磁场基本定律归结为四个微分方程,这就是著名的麦克斯韦方程组。他对这组方程进行了分析,预见到电磁波的存在,并断定,电磁波的传播速度为有限值(与光速接近),且光也是某种频率的电磁波。上述这些,他都写入题为《论电与磁》的论文中。