简析麦克斯韦方程组的意义与地位
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麦克斯韦方程组表达式及物理意义麦克斯韦方程组是电磁学的基础方程组,包含了电场和磁场的生成、传播和相互作用的规律,被广泛应用于电磁学的研究和应用中。
麦克斯韦方程组共有四个方程式,分别是高斯定律、安培环路定理、法拉第电磁感应定律和安培定律。
下面将对麦克斯韦方程组的表达式和物理意义进行介绍。
## 1. 麦克斯韦方程组的表达式### 1.1 高斯定律高斯定律描述了电场的生成和分布规律,其数学表达式为:$$\oint \vec{E} \cdot d\vec{S} =\frac{Q}{\epsilon_{0}}$$其中,$\vec{E}$表示电场强度,$d\vec{S}$表示任意面元的面积分,$Q$表示该面元内的电荷量,$\epsilon_{0}$为真空介电常数。
### 1.2 安培环路定理安培环路定理描述了磁场的生成和分布规律,其数学表达式为:$$\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_{0} I_{enc}$$其中,$\vec{B}$表示磁场强度,$d\vec{l}$表示任意回路的线积分,$\mu_{0}$为真空磁导率,$I_{enc}$表示该回路内的电流总量。
### 1.3 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律描述了磁场对电场的影响,以及磁场和电场的相互作用规律。
其数学表达式为:$$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt}$$其中,$\mathcal{E}$表示感应电动势,$\Phi$表示磁通量,$t$表示时间。
### 1.4 安培定律安培定律描述了电流对磁场的影响,以及磁场和电流的相互作用规律。
其数学表达式为:$$\nabla \times \vec{B} = \mu_{0} \vec{J} + \mu_{0} \epsilon_{0} \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$$其中,$\vec{J}$表示电流密度,$\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$表示电场随时间的变化率。
基础电学漫谈麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是描述电磁现象的数学公式组合,由英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于19世纪中叶首次发明。
它是电动力学的核心,对于理解电磁场的行为有着重要的意义。
麦克斯韦方程组总共有四个方程,包括电场的高斯定律、电场的法拉第定律、磁场的安培环路定律和磁场的法拉第定律。
这四个方程描述了电场与磁场的相互作用和演化规律,对于电磁现象进行全面而精确的描述。
高斯定理表明了电场与产生电荷之间的关系,即电场的散度与电荷密度成正比。
法拉第定理描述了电场随时间变化的规律和磁场的感应效应,揭示了电磁波传播的本质。
安培环路定理说明了磁场由电流产生的规律,揭示了电磁场与电流之间的紧密联系。
通过麦克斯韦方程组,可以更好地理解电磁场的基础原理,并可以找到解决电磁现象问题的方法和途径。
这些方程不仅对于电工电力行业有重要意义,同时也对于其他领域的科学和技术研究有着广泛应用。
用五分钟了解一下“麦克斯韦方程组”,这个世上最伟大的公式英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”,最终榜上有名的十个公式里,有著名的E=mc2、复杂的傅立叶变换、简洁的欧拉公式……但“麦克斯韦方程组”排名第一,成为“世上最伟大的公式”。
小编将带领大家一起来欣赏这个方程组的背后的故事和含义。
万有引力般的超距作用力很久以前,人类就对静电和静磁现象有所发现,但在漫长历史岁月里,两者井水不犯河水。
由于摩擦起电,在古希腊及地中海区域的古老文化里,早有文字记载,将琥珀棒与猫毛摩擦后,会吸引羽毛一类的物质,“电”的英文语源更是来自于希腊文“琥珀”一词。
发现电与磁之间有着某些相似规律,则要追溯到物理学家库仑的小小野心。
1785年,库仑精心设计了一个扭秤实验,如图所示,在细银丝下悬挂一根秤杆,秤杆挂有一个平衡小球B和一个带电小球A,在A旁还有一个和它一样大小的带电小球C。
A球和C球之间的静电力会使得悬丝扭转,转动悬丝上端的悬钮,进而使小球回到原来位置。
在这个过程中,可通过记录扭转角度、秤杆长度的变化,计算得知带电体A、C之间的静电力大小。
库仑扭秤实验库仑扭秤实验实验结果正如库仑所料,静电力与电荷电量成正比,与距离的平方反比关系。
这一规律后来被总结为“库仑定律”。
随后,库仑对磁极进行了类似的实验,再次证明:同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。
这就是经典磁学理论。
库仑发现了磁力和电力一样遵守平方反比律,却并没有进一步推测两者的内在联系。
和当时大多数数学物理学家一样,他相信物理中的“能量、热、电、光、磁”甚至化学中所有的力都可描述成像万有引力般的超距作用力,而力的强度取决于距离。
只要再努力找到几条力学定律,那整个物理理论就能完整了!库仑这种天真的想法很快就被迅速打脸,万有引力般的超距作用显然没有那么强大,但是库仑定律的提出还是为整个电磁学奠定了基础。
终成眷属的电与磁最先发现电和磁之间联系的,是丹麦物理学家奥斯特。
高斯单位制麦克斯韦方程组高斯单位制麦克斯韦方程组是电磁学中的重要理论模型,用来描述电场和磁场在空间中的分布和相互作用。
本文将从定义、物理意义、公式推导等方面,解释高斯单位制麦克斯韦方程组的基本知识。
1. 定义麦克斯韦方程组是由英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪中叶提出的,包含了电场和磁场的四个基本方程。
高斯单位制是一种国际单位制,对于电磁学中的量和单位的表示方法与国际单位制有所不同。
高斯单位制的基本单位为厘米、克、秒,定义了自由空间中的电场强度、磁场强度和电荷密度的关系。
2. 物理意义麦克斯韦方程组描述了电场和磁场在空间中的分布和变化规律,体现了电磁波的本质。
其中,高斯定理和安培定理表明了电场和磁场的源与汇之间的关系,法拉第定律则描述了磁场与电场的相互作用规律。
因此,麦克斯韦方程组是电磁学理论研究的重要基础。
3. 具体内容麦克斯韦方程组共包含四个方程,分别是高斯定理、安培定理、法拉第定律和法拉第电磁感应定律。
下面将分别进行介绍。
① 高斯定理高斯定理描述了电磁场中的电荷与电场之间的关系。
其公式为:∮S E·dS = 4πρ其中,S表示围绕电荷体积V的一个封闭曲面,E为电场强度,ρ为电荷密度。
高斯定理的物理意义是电荷形成的电场通过面积为S的封闭曲面的总通量为该曲面内的电荷量的四倍。
这条定理表明了电场是由电荷产生的,电荷是电场的源头。
② 安培定理安培定理描述了电流与磁场之间的关系。
其公式为:∮C B·dl = 4πJ其中,C表示任意闭合曲线,B为磁场强度,J为电流密度。
安培定理的物理意义是一个封闭曲线的磁场总环路积分等于由该曲线所围面积内的电流所产生的磁通量。
这条定理表明了电流是磁场的源头,磁场与电流之间也存在着相互作用。
③ 法拉第定律法拉第定律描述了一个磁场随时间变化而导致的电场变化。
其公式为:∮C E·dl = –dφB/dt其中,φB为磁通量。
麦克斯韦方程组的地位麦克斯韦方程组是电磁学的一个基本定律,被广泛应用于电磁学领域。
它由四个方程组成,分别是麦克斯韦-安培定律、麦克斯韦-法拉第定律和麦克斯韦-高斯定律。
麦克斯韦方程组描述了电磁场的相互作用,并提供了电荷、磁场和电场之间的关系。
这些方程与电磁现象的产生和传播有关,为我们理解光、电磁波和电磁辐射等现象提供了定量的描述。
麦克斯韦-安培定律描述了电流和磁场之间的关系。
它表明,在一段闭合的电路中,磁场的变化率正比于通过电路的电流。
这个定律是描述电动力学基本原理之一,对于理解电磁感应和电磁场的传播具有重要意义。
麦克斯韦-法拉第定律描述了电场和磁场之间的关系。
它指出,一个变化的磁场可以产生一个环绕着变化区域的电场。
这个定律解释了电磁感应现象和电磁波的产生。
麦克斯韦-高斯定律描述了电场的电荷分布与电场强度之间的关系。
它指出,通过一个闭合的表面的电通量正比于该表面内的电荷。
这个定律是电磁学的基本定律之一,对于计算电场和理解电荷之间的相互作用非常重要。
麦克斯韦方程组的地位在于它们是电磁学的基础,是电磁学理论的核心。
这些方程描述了电场与磁场的运动和相互作用,提供了电磁现象的定量描述,并建立了电磁场的数学模型。
在电磁学的各个领域,麦克斯韦方程组被广泛应用于解决各种实际问题。
在电磁波理论中,麦克斯韦方程组描述了电磁波的传播速度、方向和幅度等特性。
电磁波理论描述了光、无线电波、微波等现象,对通信、雷达、无线电等技术具有深远的影响。
通过解析麦克斯韦方程组,我们可以了解电磁波在空间中的传播规律,推导出电磁波的传播速度和能量传输。
在电磁场计算中,麦克斯韦方程组被广泛用于求解电磁场分布和场强等问题。
通过麦克斯韦方程组的数学模型,我们可以计算电场和磁场的大小和分布,以及电磁场与物质的相互作用。
这在电磁场仿真、电磁场计算和电磁场优化等方面具有重要意义。
在电磁波传输和天线设计中,麦克斯韦方程组是分析和设计电磁波传输系统的基础。
麦克斯韦方程组的简单概述及应用作者:朱方悦来源:《中国新通信》 2018年第15期【摘要】麦克斯韦方程组是19 世纪物理学界中十分重要的理论成果,它是电磁场理论的高度总结与概括,对电磁场的应用发展起到了奠基作用。
麦克斯韦方程组是物理学重要的基石,本文将对麦克斯韦方程组在物理学中的地位、意义及应用进行简要介绍,可使初学者对麦克斯韦方程组有基本的了解与认识。
【关键词】麦克斯韦方程组高斯定律法拉第电磁感应定律一、背景1865 年,英国著名物理学家、数学家詹姆斯·麦克斯韦发表了他对十年来研究成果的总结性论文:《电磁场的动力学理论》,在当时引起了巨大轰动。
在论文第三部分,麦克斯韦提出20 个方程,对电磁场进行了详尽的描述,麦克斯韦方程组便是其中重要的一部分。
麦克斯韦方程组是麦克斯韦在十九世纪创立的基于偏微分的方程,它的诞生是十九世纪物理学上极其伟大的成果,具有十分重要的意义。
在麦克斯韦方程组创立之前,物理学家已经对电磁现象有了很多的研究成果,而麦克斯韦严谨的归纳了前人的成果,将数学分析的理论与电磁学进行结合,进而把电磁场的理论用四个方程进行了高度的总结归纳。
利用这四个方程,理论上宏观的电磁场问题都可以得到完美的解决,这使当时的大多数物理学家承认了电磁作用及引力作用均为“近距作用”的理论,麦克斯韦也根据此理论,成功对电磁波的存在进行了预测。
本文将对麦克斯韦方程组的概念及应用进行介绍。
二、麦克斯韦方程组概述2.1 麦克斯韦方程组公式概述下面4 个方程为麦克斯韦方程组的积分形式:的方向,a 的方向与曲面S 的方向互相垂直,为导数。
2.2 麦克斯韦方程组的意义牛顿开创的经典力学给人最深刻的印象就是感性而直观。
例如:牛顿的F=ma 直观地展示了力与物体质量和加速度的关系,让人不禁感叹物理的简洁之美。
但在电磁场中,仅用一个方程无法解决所有的问题,而描述电磁场的一组方程之间不是之前牛顿所使用的数学演绎关系,我们无法通过简单的数学推理,用由一个方程得出的与它数学意义相同的一组方程来描述电磁场。
麦克斯韦方程组及意义麦克斯韦方程组及其意义麦克斯韦方程组是电磁学的基础,描述了电磁场的产生、传播和相互作用的规律。
它由詹姆斯·麦克斯韦在19世纪提出,将电场和磁场统一起来,奠定了电磁理论的基础。
麦克斯韦方程组包括四个方程,分别是高斯定律、法拉第定律、安培定律和法拉第电磁感应定律。
这些方程不仅描述了电磁场的行为,还揭示了电磁波的存在和性质,对于现代科技的发展有着重要的意义。
麦克斯韦方程组的第一个方程是高斯定律,它描述了电场通过一个闭合曲面的总电通量与该闭合曲面内的电荷量之间的关系。
这个定律说明了电荷是电场的源,电场线从正电荷流向负电荷,形成了电场的分布。
高斯定律的意义在于揭示了电荷与电场的密切关系,为理解电荷与电场的相互作用提供了基础。
麦克斯韦方程组的第二个方程是法拉第定律,它描述了磁场的变化率与通过一个闭合回路的电流之间的关系。
法拉第定律说明了电流是磁场的源,磁场线围绕电流形成环状分布。
这个定律的意义在于揭示了电流与磁场的相互作用,为理解电流与磁场的相互转换提供了依据。
麦克斯韦方程组的第三个方程是安培定律,它描述了电场的闭合回路积分与通过该闭合回路的电流之间的关系。
安培定律说明了电流产生的磁场的环状分布,磁场线围绕电流形成环状分布。
这个定律的意义在于揭示了电流与磁场的相互作用,为理解电流与磁场的相互转换提供了依据。
麦克斯韦方程组的第四个方程是法拉第电磁感应定律,它描述了磁场的闭合回路积分与通过该闭合回路的变化磁通量之间的关系。
法拉第电磁感应定律说明了磁场的变化可以产生电流,电磁感应的现象是电磁场相互作用的结果。
这个定律的意义在于揭示了电磁场的相互作用,为理解电磁感应的原理提供了依据。
麦克斯韦方程组的意义在于揭示了电磁场的行为规律,将电场和磁场统一起来,为电磁学的发展奠定了基础。
它不仅解释了电磁场的起源和性质,还揭示了电磁波的存在和传播。
电磁波是一种由电场和磁场相互耦合所形成的波动现象,包括无线电波、微波、可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线等。
麦克斯韦方程组物理含义
麦克斯韦方程组是一类非常重要的经典动力学方程组,已经被广泛应用于物理学中的许多研究领域,它描述的是物体的运动特征。
此外,由于这个方程组的物理含义可以更深刻地描述物理现象,所以它在不同的物理研究领域中也都有着广泛的应用。
麦克斯韦方程组的结构由六个不等式组成,分别为动量守恒定律、能量守恒定律、力矩守恒定律、平衡定律、动量定律和质量定律,这六个不等式可以综合描述物体的运动特性,从而获得物体在特定情况下的运动解。
从物理意义上来讲,麦克斯韦方程组可以表示物体在给定外力下的运动特性,例如物体的速度,加速度,力矩,位置等等,可以更加精确地描述物理现象。
此外,麦克斯韦方程组的物理含义也可以更深入地考虑物体的热力学性质,如体系的热容量、比热、加热和冷却等物理量。
这些物理量的深入研究可以更好地揭示物体的动力学性质,从而帮助我们更加准确地推断物理现象。
除了描述物理现象以外,麦克斯韦方程组还可以用来解决复杂的材料力学问题,比如考虑复杂多层结构的形变、横波和折射等问题,从而获得准确的研究结果。
总之,麦克斯韦方程组的物理含义十分丰富,它在不同的物理领域中都有着重要的作用,因此它是当今研究者们必不可少的经典动力学方程组。
它能够更准确地描述物理现象,从而有助于更准确地推断
物理现象,为当今研究者们提供许多有用的信息。
马克斯韦方程组的意义及应用马克斯韦方程组是描述电磁场的重要方程组,由麦克斯韦(James Clerk Maxwell)于19世纪提出。
这个方程组包括四个方程,分别是电场与磁场之间的相互作用关系,是电磁学研究的基础。
本文将介绍马克斯韦方程组的意义及其在现实中的应用。
一、马克斯韦方程组的意义马克斯韦方程组的提出对电磁学的发展具有重要的意义。
它证明了电磁波的存在,并指出电场和磁场是相互关联的。
这为电磁学奠定了坚实的理论基础,使得研究者们可以深入地理解电磁现象的本质。
其次,马克斯韦方程组还为电磁场的定量描述提供了数学工具。
通过麦克斯韦方程组,我们可以计算电场和磁场在空间和时间上的分布情况。
这些方程不仅揭示了电磁场本身的特性,也为我们实验测量电磁场提供了参考标准。
最重要的是,马克斯韦方程组统一了经典电磁学,将电磁学与光学联系了起来。
通过麦克斯韦的理论,科学家们成功地解释了电磁波的性质,从而为光的本质提供了深入的认识。
这个突破性的理论奠定了现代物理学的基础,对科学技术的发展产生了巨大影响。
二、马克斯韦方程组的应用1. 通信技术马克斯韦方程组在通信技术中有着广泛的应用。
电磁波的传输特性可以通过麦克斯韦方程组进行模拟和计算,从而帮助工程师们设计和优化通信系统。
此外,马克斯韦方程组还为无线电、雷达、电视、手机等通信设备的发展提供了理论依据。
2. 光学技术马克斯韦方程组的提出对光学技术的发展起到了重要推动作用。
通过麦克斯韦方程组,科学家们可以深入研究光的传播规律、偏振现象和干涉现象等,从而实现对光学器件和光学系统的优化和设计。
如今,马克斯韦方程组已经成为光学研究的重要工具,被广泛应用于激光技术、光纤通信和光学传感器等领域。
3. 电磁场模拟马克斯韦方程组在电磁场模拟中有着重要的应用。
通过求解麦克斯韦方程组,我们可以得到电场和磁场在不同条件下的分布情况,从而更好地理解和预测电磁现象。
这对于电磁兼容性分析、电磁隐身技术以及电磁场仿真等方面具有重要意义。
成绩课程论文(2014-2015学年秋)论文题目简析麦克斯韦方程组的意义与地位课程名称大学物理任课老师贾艳华班级水利与土木工程学院能动141班学号**********姓名王丹阳摘要麦克斯韦方程组的建立于物理学理论的统一起到了重要作用。
这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律。
比较的谦虚的评价是:“一般地,宇宙任何的电磁现象,皆可由此议程组解释。
”到后来麦克斯韦仅靠纸笔演算,就从这组公式预言了电磁波的存在。
也正是因为这个方程组完美统一了整个电磁场,让爱因斯坦始终想要以同样的方式统一引力场,并将宏观与微观的两种力放在同一组式子中:即著名的“大一统理论”。
爱因斯坦直到去世都没走出这个难题,可见其思维上一生都深受麦克斯韦的影响。
关键词:麦克斯韦方程组、意义、地位目录摘要 (2)目录 (2)绪言 (3)背景 (3)麦克斯韦方程 (3)麦克斯韦方程组的特点 (4)麦克斯韦方程组的意义 (4)划时代的大统一 (5)参考文献 (5)绪言电现象与磁现象很早就被人们所发现,但是电和磁的本质以及它们之间的关系直到19世纪麦克斯韦方程组产生后才真正为人们所了解,麦克斯韦方程组建立了电荷、电流和电场之间的普遍联系,麦克斯韦方程组的产生是19世纪物理学上最伟大的成就之一,意义非常重大爱因斯坦在《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》一文中写到“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础——换句话就是我们关于实在的结构的概念——的伟大的变革是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。
[1]本文将通过对麦克斯韦方程组于电磁学方面影响的分析,说明麦克斯韦方程组是物理学的基础,从而阐述了麦克斯韦方程组是电磁学理论的高度浓缩,论证了它在物理学中的核心地位。
背景麦克斯韦是在前人的基础上,把由实验得出的电磁学规律加以总结和推广而得出他的方程组的。
他的推广有两个方面:其一是假定变化的电场(位移电流)产生磁场,从而把安培环路定理加以推广,使之包括位移电流;其二是假定变化的磁场产生电场,从而把法拉第电磁感应定律由导体回路中产生感应电动势推广到一般情况[2]。
到1845年,关于电磁现象的三个基本实验定律:库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律已经被总结出来,这为麦克斯韦方程组的建立提供了理论基础。
此外,19世纪30年代,法拉第创造性的提出了场和场线的概念,结束了长期以来科学历史上关于超距作用与近距作用的争论。
随后,场的思想逐渐完善,科学家们建立了较为成熟的电磁场概念,这对麦克斯韦的工作具有极大的帮助。
1855年,麦克斯韦开始了电磁学基础理论方面的研究。
在随后的十年里,他相继发表了《论法拉第力线》、《论物理力线》、《电磁场的动力学理论》等三篇论文。
麦克斯韦建立电磁理论的过程大致可分为三步:第一步,麦克斯韦分析总结了电磁学已有的成果,提出感生电场的概念;第二步,他设计了电磁作用的力学模型,对已经确立的电学量和磁学量之间的关系给以物理解释。
第三步,他把近距作用理论引向深入,明确地提出了电磁场的概念,并且全面阐述了电磁场的含义,建立了电磁场的普遍方程即麦克斯韦方程组。
[3]麦克斯韦方程方程组的微分形式∇·D = ρ∇×E =-B t ∂∂∇·B =0∇×H = j +D t ∂∂式中ρ是自由电荷的体密度,j是传导电流密度;Dt∂∂称为位移电流密度。
通常所说的麦克斯韦方程组,大多指其微分形式。
它是描述各点的电磁场的方程组。
方程组的积分形式s D dS q =⎰ L S B E dl dS t ∂=-∂⎰⎰ 0S B dS =⎰L S D H dl j dS t ∂⎛⎫=+ ⎪∂⎝⎭⎰⎰ 值得注意的是, 当有介质时, 需要补充三个描述介质性质的方程式。
对于各向同性介质来说, 有:D = εr ε0EB = μr μ0Hj = σE式中εr 、μr 和σ分别是介质的相对介电常数, 相对磁导率和电导率。
j =σE 是欧姆定律的微分形式。
[4]麦克斯韦方程组的特点麦克斯韦方程组在历史上的建立过程非常复杂,但它的逻辑基础却很简单。
它是由麦克斯韦在三个基本的电磁实验定律(库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律)的基础上,引出涡旋电场与位移电流的两个假设,并奖这些定律与假设加以整合与推广而得到的。
麦克斯韦方程组的数学形式也具有简单性,而且从麦克斯韦方程组的发展历史来看,它是逐渐变得简单的。
麦克斯韦最初给出的是20个方程与20个变量。
从整个麦克斯韦方程组的发展过程可以看出,一个物理方程,当其数学形式越来越简单时,每个方程所表示的物理内涵却越来越丰富,其内容也越来越深刻,概括性也越高,同时抽象程度也越深。
麦克斯韦方程组中,电场与磁场以及时间空间也具有明显的对称性。
麦克斯韦认为,变化的磁场之所以会使导体产生电流,是因为变化的磁场产生了涡旋电场,这已经上升到理性抽象阶段。
同时,麦克斯韦进一步运用对称性思维,他认为变化的电场也会产生磁场,这便是位移电流的提出。
所以,对称性思想对麦克斯韦方程组的建立起到了指引方向的作用。
麦克斯韦方程组的建立过程以及未来的发展趋势都与追求物理理论思维的对称性与物理方程形式的对称性密不可分,这一过程既是唯象的,又是抽象的,它们是交替进行的。
麦克斯韦方程组的意义1864 年, 麦克斯韦向皇家学会提交了他的第三篇电学论文《电磁场的动力学理论》, 这是一篇关于电磁场理论最重要的总结性论文。
通过前两篇论文关于力线与恒定流速场的类比研究以及电磁以太力学模型的阐述, 麦克斯韦把握电场和磁场中最本质的特征就是涡旋电场、位移电流和电磁波的概念。
他感到需要在实验事实和普遍的动力学原理的基础上提出一个全新的理论框架———电磁场的动力学理论。
为此, 他在这篇论文的引言中首先评论了韦伯和诺埃曼的超距作用电磁理论的成就及其机制上的根本困难, 指出不能把这个理论看作最终的真理。
他宁愿寻求对事实的另一解释, 即假设电磁作用是由周围媒质引起的。
他以非凡的理论家的气魄,高屋建瓴地直接提出了电磁场的动力理论的命题。
他在这篇论文中系统地总结了从库仑(Coulom 。
C 。
A)、安培(Ampere 。
A 。
M)到法拉第以及他自己的研究成果,提出了一共包含20 个变量的20 个方程式,即著名的麦克斯韦方程组。
在论文接下去的几部分中,麦克斯韦广泛地讨论了各种电磁现象,如场对运动的载流导体、磁体以及带电体的机械作用、静电效应的测量、电容和电吸收、电磁波的性质和电磁扰动在晶体媒质中的传播以及电磁感应系数的计算等。
文中写道:“我提出的这个学说可以称为电磁场理论,因为它关系到带电体或磁体周围的空间。
它可以称为动力学理论,因为它假定在那个空间存在着运动的物质,在这些物质中理应产生可观测到的电磁现象”。
麦克斯韦就这样直接地预言了电磁波的存在。
接着,麦克斯韦从基本方程组导出波动方程,证明了电磁波是一种横波,并求得电磁波的传播速度在空气中等于电量的电磁单位与静电单位之比,即等于空气或真空中的光速。
他由此得出结论:“这一速度与光速如此接近,看来,我们有强烈的理由断定,光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁扰动”——这就是“光的电磁说”。
这样,早先法拉第关于光的电磁理论的朦胧猜想,由麦克斯韦把它变成了科学的严谨推论。
[5]划时代的大统一麦克斯韦方程组的建立于物理学理论的统一起到了重要作用。
这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律。
比较的谦虚的评价是:“一般地,宇宙任何的电磁现象,皆可由此议程组解释。
”到后来麦克斯韦仅靠纸笔演算,就从这组公式预言了电磁波的存在。
也正是因为这个方程组完美统一了整个电磁场,让爱因斯坦始终想要以同样的方式统一引力场,并将宏观与微观的两种力放在同一组式子中:即著名的“大一统理论”。
爱因斯坦直到去世都没走出这个难题,可见其思维上一生都深受麦克斯韦的影响。
总而言之,麦克斯韦的电磁场理论是继牛顿力学之后又一次划时代的伟大成就, 它的建立标志着电磁学的研究发展到了一个新阶段, 并开拓了广泛的研究领域。
电磁波和电磁辐射的研究导致通信、广播和信息传输技术的发展;物质电磁性质的研究推动了材料科学的发展, 导致优质物性材料的不断涌现;建立在电磁场理论基础上的光学研究拓宽了光学研究领域, 对于以太的深入研究导致了狭义相对论的诞生;这些发展推动了20 世纪以来科学技术的繁荣。
著名的美国理论物理学家费恩曼(Fey nman)在他的《物理学讲义》中写道:“从人类历史的长远观点来看, 例如从今过后一万年来看, 几乎无疑的是, 19 世纪最重要的事件将判定麦克斯韦发现电动力学定律。
与这一重要科学事件相比, 同一个十年中的美国内战(指南北战争)就黯然失色地降为地区性的琐事了。
”[4]参考文献[1]白玄。
十九世纪最深刻数学物理学家—麦可斯韦[M]。
北京:中央文献出版社,2000[2]陈俊华。
关于麦克斯韦方程组的讨论[J]。
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19世纪电磁学史上的一座丰碑——麦克斯韦与电磁场理论的创立[J]。
物理与工程,2011,01:59-63。