依據麥克斯韋方程組的物理意義,簡述時變場產生電磁波的機理

2021-03-20 04:58:38 字數 5511 閱讀 1806

1樓:夏目真夜

變化的磁場產生電場,變化的電場產生磁場。在時變場中,電場和磁場都是變化的,於是相互激發,產生電磁波。

麥克斯韋方程組裡的倒三角形和"6"字的映象是什麼意思?

2樓:向天致信

倒三角形是拉譜拉斯運算元和"6"字的映象是求偏導數。

麥克斯韋方程組(英語:maxwell's equations),是英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀建立的一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程。它由四個方程組成:

描述電荷如何產生電場的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時變電場怎樣產生磁場的麥克斯韋-安培定律、描述時變磁場如何產生電場的法拉第感應定律。

從麥克斯韋方程組,可以推論出電磁波在真空中以光速傳播,並進而做出光是電磁波的猜想。麥克斯韋方程組和洛倫茲力方程是經典電磁學的基礎方程。從這些基礎方程的相關理論,發展出現代的電力科技與電子科技。

麥克斯韋2023年提出的最初形式的方程組由20個等式和20個變數組成。他在2023年嘗試用四元數來表達,但未成功。現在所使用的數學形式是奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯於2023年以向量分析的形式重新表達的。

3樓:匿名使用者

你說的倒三角形是拉譜拉斯運算元和"6"字的映象是求偏導數

麥克斯韋方程組的歷史地位與應用

4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。

5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

麥克斯韋方程組是把什麼統一起來的

6樓:山東省飛飛

它由四個方程組成:描述電荷如何產生電場的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時變電場怎樣產生磁場的麥克斯韋-安培定律、描述時變磁場如何產生電場的法拉第感應定律。

電磁場理論 麥克斯韋方程組 2.試由微分形式麥克斯韋方程組,匯出電流連續性方程。

7樓:匿名使用者

克斯韋方程組的積分形式:麥克斯韋方程組的積分形式:(inmatter)這是2023年前後,麥克斯韋提出的表述電磁場普遍規律的四個方程.

其中:(1)描述了電場的性質.在一般情況下,電場可以是庫侖電場也可以是變化磁場激發的感應電場,而感應電場是渦旋場,它的電位移線是閉合的,對封閉曲面的通量無貢獻.

(2)描述了磁場的性質.磁場可以由傳導電流激發,也可以由變化電場的位移電流所激發,它們的磁場都是渦旋場,磁感應線都是閉合線,對封閉曲面的通量無貢獻.(3)描述了變化的磁場激發電場的規律.

(4)描述了變化的電場激發磁場的規律.變化場與穩恆場的關係:當變化場與穩恆場的關係時,方程組就還原為靜電場和穩恆磁場的方程:

(inmatter)在沒有場源的自由空間,即q=0,i=0,方程組就成為如下形式:(inmatter)麥克斯韋方程組的積分形式反映了空間某區域的電磁場量(d、e、b、h)和場源(電荷q、電流i)之間的關係.[編輯本段]微分形式麥克斯韋方程組微分形式:

在電磁場的實際應用中,經常要知道空間逐點的電磁場量和電荷、電流之間的關係.從數學形式上,就是將麥克斯韋方程組的積分形式化為微分形式.利用向量分析方法,可得:

(inmatter)注意:(1)在不同的慣性參照系中,麥克斯韋方程有同樣的形式.(2)應用麥克斯韋方程組解決實際問題,還要考慮介質對電磁場的影響.

例如在各向同性介質中,電磁場量與介質特性量有下列關係:在非均勻介質中,還要考慮電磁場量在介面上的邊值關係.在利用t=0時場量的初值條件,原則上可以求出任一時刻空間任一點的電磁場,即e(x,y,z,t)和b(x,y,z,t).

[編輯本段]科學意義(一)經典場論是19世紀後期麥克斯韋在總結電磁學三大實驗定律並把它與力學模型進行類比的基礎上創立起來的.但麥克斯韋的主要功績恰恰是他能夠跳出經典力學框架的束縛:在物理上以"場"而不是以"力"作為基本的研究物件,在數學上引入了有別於經典數學的向量偏微分運算子.

這兩條是發現電磁波方程的基礎.這就是說,實際上麥克斯韋的工作已經衝破經典物理學和經典數學的框架,只是由於當時的歷史條件,人們仍然只能從牛頓的經典數學和力學的框架去理解電磁場理論.現代數學,h空間中的數學分析是在19世紀與20世紀之交的時候才出現的.

而量子力學的物質波的概念則在更晚的時候才被發現,特別是對於現代數學與量子物理學之間的不可分割的數理邏輯聯絡至今也還沒有完全被人們所理解和接受.從麥克斯韋建立電磁場理論到現在,人們一直以歐氏空間中的經典數學作為求解麥克斯韋方程組的基本方法.(二)我們從麥克斯韋方程組的產生,形式,內容和它的歷史過程中可以看到:

第一,物理物件是在更深的層次上發展成為新的公理表達方式而被人類所撐握,所以科學的進步不會是在既定的前提下演進的,一種新的具有認識意義的公理體系的建立才是科學理論進步的標誌.第二,物理物件與對它的表達方式雖然是不同的東西,但如果不依靠合適的表達方法就無法認識到這個物件的"存在".由此,第三,我們正在建立的理論將決定到我們在何種層次的意義上使我們的物件成為物理事實,這正是現代最前沿的物理學所給我們帶來的困惑.

(三)麥克斯韋方程組揭示了電場與磁場相互轉化中產生的對稱性優美,這種優美以現代數學形式得到充分的表達.但是,我們一方面應當承認,恰當的數學形式才能充分展示經驗方法中看不到的整體性(電磁對稱性),但另一方面,我們也不應當忘記,這種對稱性的優美是以數學形式反映出來的電磁場的統一本質.因此我們應當認識到應在數學的表達方式中"發現"或"看出"了這種對稱性,而不是從物理數學公式中直接推演出這種本質.

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