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彩图完美解释:麦克斯韦方程组,太美了!(三)

2020.9.28

麦克斯韦方程组微分形式:

20170606062908923.png

式中J为电流密度,,ρ为电荷密度。

H为磁场强度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁通密度。

上图分别表示为:

(1)磁场强度的旋度(全电流定律)等于该点处传导电流密度 与位移电流密度 的矢量和;
(2)电场强度的旋度(法拉第电磁感应定律)等于该点处磁感强度变化率的负值;
(3)磁感强度的散度处处等于零 (磁通连续性原理) 。
(4)电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度 (高斯定理) 。

在电磁场的实际应用中,经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。

从数学形式上,就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式。

20170606062918891.png

上面的微分形式分别表示:

(1)电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度 (高斯定理) 。
(2)磁感强度的散度处处等于零 (磁通连续性原理) 。
(3)电场强度的旋度(法拉第电磁感应定律)等于该点处磁感强度变化率的负值;
(4)磁场强度的旋度(全电流定律)等于该点处传导电流密度 与位移电流密度 的矢量和;

利用矢量分析方法,可得:

(1)在不同的惯性参照系中,麦克斯韦方程有同样的形式。   
(2) 应用麦克斯韦方程组解决实际问题,还要考虑介质对电磁场的影响。
例如在各向同性介质中,电磁场量与介质特性量有下列关系: 
在非均匀介质中,还要考虑电磁场量在界面上的边值关系。
在利用t=0时场量的初值条件,原则上可以求出任一时刻空间任一点的电磁场,即E(x,y,z,t)和B(x,y,z,t)。 

20170606062929915.png

科学意义

经典场论是19世纪后期麦克斯韦在总结电磁学三大实验定律,并把它与力学模型进行类比的基础上创立起来的。

但麦克斯韦的主要功绩恰恰是他能够跳出经典力学框架的束缚:

在物理上以"场"而不是以"力"作为基本的研究对象,在数学上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算符。

这两条是发现电磁波方程的基础。

这就是说,实际上麦克斯韦的工作已经冲破经典物理学和经典数学的框架,只是由于当时的历史条件,人们仍然只能从牛顿的经典数学和力学的框架去理解电磁场理论。  

20170606062938325.png

现代数学,Hilbert空间中的数学分析是在19世纪与20世纪之交的时候才出现的。


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