做出再加100分從麥克斯韋方程組出發,推倒均勻和非均勻各

2021-05-05 23:27:25 字數 4987 閱讀 6353

1樓:雨爾雅

麥克斯韋(1831-1879)是繼法拉第之後,集電磁學大成的偉大科學家。他依據庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發現和實驗成果,建立了第一個完整的電磁理論體系,不僅科學地預言了電磁波的存在,而且揭示了光、電、磁現象的本質的統一性,完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果,奠定了現代的電力工業、電子工業和無線電工業的基礎。

麥克斯韋2023年6月出生於英國愛丁堡,他的父親原是律師,但他的主要興趣是在製作各種機械和研究科學問題,他這種對科學的強烈愛好,對麥克斯韋一生有深刻的影響。麥克斯韋10歲進入愛丁堡中學, 14歲在中學時期就發表了第一篇科學**《論卵形曲線的機械畫法》,反映了他在幾何和代數方面的豐富知識。16歲進入愛丁堡大學學習物理,三年後,他轉學到劍橋大學三一學院。

在劍橋學習時,打下了紮實的數學基礎,為他爾後把數學分析和實驗研究緊密結合創造了條件。他閱讀了w.湯姆生的科學著作,他十分贊同法拉第提出的新觀點,並且精心研究法拉第的《電學的實驗研究》一書。

他以法拉第的力線概念為指導,透過這些似乎雜亂無章的實驗記錄,看出了它們之間實際上貫穿著一些簡單的規律。於是,他發表了第一篇電磁學**《論法拉第的力線》。在這篇**中,法拉第的力線概念獲得了精確的數學表述,並且由此匯出了庫侖定律和高斯定律。

這篇文章還只是限於把法拉第的思想翻譯成數學語言,還沒有引導到新的結果。2023年他發表了第二篇**《論物理力線》,不但進一步發展了法拉第的思想,擴充到磁場變化產生電場,而且得到了新的結果:電場變化產生磁場,由此預言了電磁波的存在,並證明了這種波的速度等於光速,揭示了光的電磁本質。

這篇文章包括了麥克斯韋研究電磁理論達到的主要結果。2023年他的第三篇**《電磁場的動力學理論》,從幾個基本實驗事實出發,運用場論的觀點,以演繹法建立了系統的電磁理論。2023年出版的《電學和磁學論》一書是集電磁學大成的劃時代著作,全面地總結了19世紀中葉以前對電磁現象的研究成果,建立了完整的電磁理論體系。

這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數學原理》、達爾文的《物種起源》和賴爾的《地質學原理》相媲美的里程碑式的著作。

麥克斯韋在總結前人工作的基礎上,引入位移電流的概念,建立了一組微分方程。這方程組確定電荷、電流(運動的電荷)、電場、磁場之間的普遍聯絡,是電磁學的基本方程,麥克斯韋方程組表明,空間某處只要有變化的磁場就能激發出渦旋電場,而變化的電場又能激發渦旋磁場。交變的電場和磁場互相激發就形成了連續不斷的電磁振盪即電磁波。

麥克斯韋方程還說明,電磁波的速度只隨介質的電和磁的性質而變化,由此式可證明電微波在以太(即真空)中傳播的速度,等於光在真空中傳播的速度。這不是偶然的巧合,而是由於光和電磁波在本質上是相同的。光是一定波長的電磁波,這就是麥克斯韋創立的光的電磁學說。

麥克斯韋被大多數近代物理學家看作是19世紀的科學家,但他對20世紀的物理學影響很大,他與牛頓和愛因斯坦齊名。2023年愛因斯坦在麥克斯韋生辰百年紀念會上曾指出:麥克斯韋的工作「是牛頓以來,物理學最深刻和最富有成果的工作」,從而使物理現實的概念得到了改變。

麥克斯韋提出的電磁輻射的概念和他的場方程組,是根據法拉第的電力線和磁力線的實驗觀察提出來的,從而引出了愛因斯坦的狹義相對論,並建立了質量和能量的等效性原理。使麥克斯韋成為歷史上最偉大的科學家之一的工作是他關於電磁學的研究,麥克斯韋說,他最重要的工作是把法拉第的物理觀點用數學表達出來。麥克斯韋曾表示電磁波是能在實驗室內產生的,這種可能性首先由赫茲在2023年實現了,這時麥克斯韋以去世8年。

所以,具有廣泛應用價值的無線電工業實際上**於麥克斯韋的著述。在電磁理論以外,麥克斯韋在物理學其他領域中也有重大貢獻。20多歲時麥克斯韋曾寫過一篇有關土星的**證實土星外圍的那些換都是由一塊塊不相粘附的物質組成的,100多年以後當一架「航行者」太空推測器到達土星周圍時,證實了這一理論。

2023年麥克斯韋被推選為卡文迪什講座教授。他設計了卡文迪什實驗室,而且親自監督施工。

麥克斯韋的主要科學貢獻在電磁學方面,同時在天體物理學、氣體分子運動論、熱力學、統計物理學等方面,都作出了卓越的成績。正如量子論的創立者普朗克(max plank l858—1947)指出的:「麥克斯韋的光輝名字將永遠鐫刻在經典物理學家的門扉上,永放光芒。

從生地來說,他屬於愛丁堡;從個性來說,他屬於劍橋大學;從功績來說,他屬於全世界」。

麥克斯韋方程組的歷史地位與應用

2樓:

[4] 與此文有關的觀點可以參見周劍銘「中國傳統文化的二個難題與中西文化的命運」和「論中國思想」系列文章。

3樓:百度使用者

關於靜電場和穩恆磁場的基本規律,可總結歸納成以下四條基本定理:

靜電場的高斯定理:

靜電場的環路定理:

穩恆磁場的高斯定理:

磁場的安培環路定理:

上述這些定理都是孤立地給出了靜電場和穩恆磁場的規律,對變化電場和變化磁場並不適用。

麥克斯韋在穩恆場理論的基礎上,提出了渦旋電場和位移電流的概念:

1. 麥克斯韋提出的渦旋電場的概念,揭示出變化的磁場可以在空間激發電場,並通過法拉第電磁感應定律得出了二者的關係,即

上式表明,任何隨時間而變化的磁場,都是和渦旋電場聯絡在一起的。

2. 麥克斯韋提出的位移電流的概念,揭示出變化的電場可以在空間激發磁場,並通過全電流概念的引入,得到了一般形式下的安培環路定理在真空或介質中的表示形式,即

上式表明,任何隨時間而變化的電場,都是和磁場聯絡在一起的。

綜合上述兩點可知,變化的電場和變化的磁場彼此不是孤立的,它們永遠密切地聯絡在一起,相互激發,組成一個統一的電磁場的整體。這就是麥克斯韋電磁場理論的基本概念。

在麥克斯韋電磁場理論中,自由電荷可激發電場 ,變化磁場也可激發電場 ,則在一般情況下,空間任一點的電場強度應該表示為

又由於,穩恆電流可激發磁場 ,變化電場也可激發磁場 ,則一般情況下,空間任一點的磁感強度應該表示為

因此,在一般情況下,電磁場的基本規律中,應該既包含穩恆電、磁場的規律,如方程組(1),也包含變化電磁場的規律,

根據麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流的概念,變化的磁場可以在空間激發變化的渦旋電場,而變化的電場也可以在空間激發變化的渦旋磁場。因此,電磁場可以在沒有自由電荷和傳導電流的空間單獨存在。變化電磁場的規律是:

1.電場的高斯定理 在沒有自由電荷的空間,由變化磁場激發的渦旋電場的電場線是一系列的閉合曲線。通過場中任何封閉曲面的電位移通量等於零,故有:

2.電場的環路定理 由本節公式(2)已知,渦旋電場是非保守場,滿足的環路定理是

3.磁場的高斯定理 變化的電場產生的磁場和傳導電流產生的磁場相同,都是渦旋狀的場,磁感線是閉合線。因此,磁場的高斯定理仍適用,即

4.磁場的安培環路定理 由本節公式(3)已知,變化的電場和它所激發的磁場滿足的環路定理為

在變化電磁場的上述規律中,電場和磁場成為不可分割的一個整體。

將兩種電、磁場的規律合併在一起,就得到電磁場的基本規律,稱之為麥克斯韋方程組,表示如下

上述四個方程式稱為麥克斯韋方程組的積分形式。

將麥克斯韋方程組的積分形式用高等數學中的方法可變換為微分形式。微分形式的方程組如下

上面四個方程可逐一說明如下:在電磁場中任一點處

(1)電位移的散度 等於該點處自由電荷的體密度 ;

(2)電場強度的旋度 等於該點處磁感強度變化率 的負值;

(3)磁場強度的旋度 等於該點處傳導電流密度 與位移電流密度 的向量和;

(4)磁感強度的散度 處處等於零。

麥克斯韋方程是巨集觀電磁場理論的基本方程,在具體應用這些方程時,還要考慮到介質特性對電磁場的影響,

即 ,以及歐姆定律的微分形式 。

方程組的微分形式,通常稱為麥克斯韋方程。

在麥克斯韋方程組中,電場和磁場已經成為一個不可分割的整體。該方程組系統而完整地概括了電磁場的基本規律,並預言了電磁波的存在。

應用麥克斯韋方程組

maxwell's equations

描述電磁場性質、特徵和運動規律的一組方程。19世紀中葉,描述電磁現象的基本實驗規律:庫侖定律、畢-薩-拉定律、安培定律、歐姆定律、法拉第電磁感應定律等已經先後得出,建立統一電磁理論的課題擺在了物理學家面前。

以w.韋伯、f.e.

諾埃曼為代表的超距作用電磁理論把各種電磁作用歸結為庫侖力和運動電荷之間的作用力(韋伯力),認為是超越空間無需媒質傳遞也無需傳遞時間的直接作用 。這種理論雖然統一地解釋了靜電現象、電流相互作用和電磁感應,但是既未能提出任何有價值的預言,又存在機制上的根本困難,終於成為歷史的遺蹟。

j.c.麥克斯韋繼承了m.

法拉第的近距作用觀點,認為電磁作用是以場為媒介傳遞的,需要傳遞時間,把客觀存在的場作為研究物件,從而開闢了物理學研究的新天地。麥克斯韋審查了當時已知的全部電磁學定律、定理的基礎,提取了其中帶有普遍意義的內容,拓寬了它們的成立條件。麥克斯韋提出了有旋電場的概念和位移電流的假設,揭示了電磁場的內在聯絡和相互依存,完成了建立電磁場理論的關鍵性突破。

麥克斯韋熟練地運用了當時正在發展的向量分析,找到了表述電磁場 (空間連續分佈的客體)的適當數學工具 。2023年麥克斯韋終於建立了包括電荷守恆定律、介質方程以及電磁場方程在內的完備方程組。後經h.

r.赫茲、o.亥維賽、h.

a.洛倫茲等人進一步的加工,得出了下述電磁場方程組——麥克斯韋方程組 (採用國際單位制):式中左、右列分別是方程組的積分、微分形式;e、b、d、h分別是描述電場(指帶電體產生的電場與變化磁場產生的有旋電場之和)和磁場(指電流產生的磁場與變化電場即位移電流產生的磁場之和)的電場強度、磁感應強度、電位移、磁場強度;q、ρ為自由電荷、自由電荷體密度;i、j為傳導電流強度和傳導電流密度。

四個公式分別是電場、磁場的高斯定理、電磁感應定律以及安培環路定理。成立條件拓寬了,最為關鍵的是第四式中補充了位移電流密度項。

和e、b和h、j和e的關係稱為介質方程,對於線性各向同性介質,介質方程為:式中ε、μ、σ分別是介質的電容率 (介電常量)、磁導率和電導率。介質方程與上述電磁場方程組聯立,構成完備的方程組。

麥克斯韋方程組關於電磁波等的預言為實驗所證實,證明了位移電流假設和電磁場理論的正確性。這個電磁場理論對電磁學、光學、材料科學以及通訊、廣播、電視等等的發展都產生了廣泛而深遠的影響。它是物理學中繼牛頓力學之後的又一偉大成就。

參考資料

麥克斯韋方程的簡介,什麼是麥克斯韋方程

麥克斯復韋方程組並不是由麥制克斯韋本人發現的,而是他在前人總結關於電磁現象基本規律的基礎上提出的。奧斯特 安培等人提出了電場產生磁場的理論,而法拉第則提出了磁場產生電場的法拉第電磁感應定律。在這些理論的基礎上,麥克斯韋又提出了 位移電流 假說。在此基礎上,提出了麥克斯韋方程組,至此電和磁達到了完全的...

麥克斯韋方程組

病態殘喘的答案很不錯,指出一點,既然 d ds rdv q 已經用電位移向量d而非電場強度e了,就不僅僅 表示真空中,通過球面電場強度的通量等於球面所包圍的電荷q 介質中也是適用的。真空中,用 e ds q 0就可以了。我再把微分形式給出來吧。1。d 電荷密度 2。e b關於t的偏導 我也打不出偏導...

法拉第與麥克斯韋誰的貢獻大,麥克斯韋的貢獻到底有多大?

1831法拉第發copy 現第一塊磁鐵穿bai過一個閉合線路時,線du路內就會有電流產生,這個 zhi效應叫電磁感應。一般認為法dao拉第的電磁感應定律是他的一項最偉大的貢獻。麥克斯韋大約於1855年開始研究電磁學,在潛心研究了法拉第關於電磁學方面的新理論和思想之後,堅信法拉第的新理論包含著真理。詹...