麦克斯韦方程组的推导过程

如题所述

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。
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第1个回答  2020-10-19
上帝说,要有光,于是便有了光。光的量子性可以解释光的产生和吸收规律。

要谈光的传播规律,首先要明白光的本质是一种电磁波。光的传播规律,也就是电磁波的传播规律。人类真正理解电磁波,耗时漫长。

两千多年前,人类发现摩擦后的琥珀能吸引微小物体、磁石能吸铁。后来,甚至能用指南针进行各种航海活动,却并不通晓这些“电磁现象”背后的本质。

直到1785年,库仑创立了电荷之间相互作用力的数学关系式,这才有电学发展史上的第一个定量规律。

1820年,奥斯特发现电流能产生磁场。同年,安培计算出两个电流之间的相互作用力,并给出电流产生磁场的数学表达式。

1831年,自学成才的天才实验科学家法拉第,发现了电磁感应现象,并提出时变磁场产生时变电场的理论学说,由于他数学功底欠缺,未能将其成果表示成精确的定量理论。1845年,物理学家纽曼给出了法拉第电磁感应定律的数学表达式。

1873年,麦克斯韦提出“位移电流”的概念,建立了时变电场产生时变的磁场的理论学说。结合前辈们的成果,用数学方程严格地描述了电磁场应该遵循的规律,推导出电磁场的波动方程,并预言电磁波的存在,顺便发现电磁波的传播速度和光速的一致性。于是他推断,光的本质是一种电磁扰动,由振荡的电场和磁场组成。(后面附有简要推导过程)

1887年,赫兹用振荡电路证明了麦克斯韦预言的正确性。另外,这组方程式还直接催生了狭义相对论和光子晶体理论的诞生。

目前,人类已经迈入虚拟代替现实的阶段,无线互联网、卫星定位、无线通信、微波遥感等信息技术,其传输信息的媒介都是电磁波。我们在享受这些科技成果之余,可以了解一下麦克斯韦。