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麦克斯韦方程组 (采用国际单位制):式中左、右列分别是方程组的积分、微分形式;E、B、D、H分别是描述电场(指带电体产生的电场与变化磁场产生的有旋电场之和)和磁场(指电流产生的磁场与变化电场即位移电流产生的磁场之和)的电场强度、磁感应强度、电位移、磁场强度;q、ρ为自由电荷、自由电荷体密度;I、J为传导电流强度和传导电流密度。四个公式分别是电场、磁场的高斯定理、电磁感应定律以及安培环路定理。成立条件拓宽了,最为关键的是第四式中补充了位移电流密度项。
和E、B和H、J和E的关系称为介质方程,对于线性各向同性介质,介质方程为:式中ε、μ、σ分别是介质的电容率 (介电常量)、磁导率和电导率。介质方程与上述电磁场方程组联立,构成完备的方程组。
麦克斯韦方程组关于电磁波等的预言为实验所证实,证明了位移电流假设和电磁场理论的正确性。这个电磁场理论对电磁学、光学、材料科学以及通讯、广播、电视等等的发展都产生了广泛而深远的影响。它是物理学中继牛顿力学之后的又一伟大成就。
麦克斯韦电磁场理论的核心思想是:变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来,建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组是由四个微分方程构成:
(1)?·E=ρ/ε0,描述了电场的性质。在一般情况下,电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场,而感应电场是涡旋场,它的电位移线是闭合的,对封闭曲面的通量无贡献。
(2)?·B=0,描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发,也可以由变化电场的位移电流所激发,它们的磁场都是涡旋场,磁感应线都是闭合线,对封闭曲面的通量无贡献。
(3)?×E=-?B/?t,描述了变化的磁场激发电场的规律。
(4)?×B=μ0J+1/c2*?E/?t (c2=1/μ0ε0),描述了变化的电场激发磁场的规律。
麦克斯韦方程都是用微积分表述的,涉及到的方程包括:
1.高斯定理,穿过任意闭合面的电位移通量,等于该闭合面内部的总电荷量。麦克斯韦:电位移的散度等于电荷密度。
2.磁通连续性定理,即磁力线永远是闭合的,磁场没有标量的源,麦克斯韦表述是:对磁感应强度求散度为零。
3.法拉第电磁感应定律,即电磁场互相转化,电场强度的旋度等于磁感应强度对时间的负偏导。
4.安培环路定理,就是磁场强度沿任意回路的环量等于环路所包围电流的代数和。
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