麥克斯韋方程組(英語:Maxwell's equations),是英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀(jì)建立的一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。它由四個(gè)方程組成:描述電荷如何產(chǎn)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(shí)變電場怎樣產(chǎn)生磁場的麥克斯韋-安培定律、描述時(shí)變磁場如何產(chǎn)生電場的法拉第感應(yīng)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,并進(jìn)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(jīng)典電磁學(xué)的基礎(chǔ)方程。從這些基礎(chǔ)方程的相關(guān)理論,發(fā)展出現(xiàn)代的電力科技與電子科技。 麥克斯韋1865年提出的最初形式的方程組由20個(gè)等式和20個(gè)變量組成。他在1873年嘗試用四元數(shù)來表達(dá),但未成功?,F(xiàn)在所使用的數(shù)學(xué)形式是奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯于1884年以矢量分析的形式重新表達(dá)的 麥克斯韋誕生以前的半個(gè)多世紀(jì)中,人類對(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)取得了很大的進(jìn)展。1785年,C.A.庫侖(Charles A.Coulomb)在扭秤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,建立了說明兩個(gè)點(diǎn)電荷之間相互作用力的庫侖定律。1820年H.C.奧斯特 (Hans Christian Oersted)發(fā)現(xiàn)電流能使磁針偏轉(zhuǎn),從而把電與磁聯(lián)系起來。其后,A.M.安培(Andre Marie Ampere)研究了電流之間的相互作用力,提出了許多重要概念和安培環(huán)路定律。M.法拉第(Michael Faraday)的工作在很多方面有杰出貢獻(xiàn),特別是1831年發(fā)表的電磁感應(yīng)定律,是電機(jī),變壓器等設(shè)備的重要理論基礎(chǔ)。 在麥克斯韋之前,關(guān)于電磁現(xiàn)象的學(xué)說都以超距作用觀念為基礎(chǔ)。認(rèn)為帶電體、磁化體或載流導(dǎo)體之間的相互作用,都是可以超越中間媒質(zhì)而直接進(jìn)行,并立即完成的。即認(rèn)為電磁擾動(dòng)的傳播速度是無限大。在那個(gè)時(shí)期,持不同意見的只有法拉第。他認(rèn)為上述這些相互作用與中間媒質(zhì)有關(guān),是通過中間媒質(zhì)的傳遞而進(jìn)行的,即主張間遞學(xué)說。 麥克斯韋繼承了法拉第的觀點(diǎn),參照流體力學(xué)的模型,應(yīng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式總結(jié)了前人的工作,提出了位移電流的假說,推廣了電流的涵義,將電磁場基本定律歸結(jié)為四個(gè)微分方程,這就是著名的麥克斯韋方程組。他對(duì)這組方程進(jìn)行了分析,預(yù)見到電磁波的存在,并且斷定電磁波的傳播速度為有限值(與光速接近),且光也是某種頻事的電磁波。上述這些,他都寫入了題為《論電與磁》的論文中。1887年H.R.赫茲(Heinrich R.Hertz) 用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生和檢測到了電磁波,證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)見。1905~1915年間A.愛因斯坦(Albert Einstein)的相對(duì)論進(jìn)一步論證了時(shí)間、空間、質(zhì)量,能量和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,說明電磁場就是物質(zhì)的一種形式,間遞學(xué)說得到了公認(rèn)。 1845年,關(guān)于電磁現(xiàn)象的三個(gè)最基本的實(shí)驗(yàn)定律:庫侖定律(1785年),畢奧-薩伐爾定律(1820年),法拉第定律(1831-1845年)已被總結(jié)出來,法拉第的“電力線”和“磁力線”概念已發(fā)展成“電磁場概念”。 1855年至1865年,麥克斯韋在全面地審視了庫侖定律、畢奧—薩伐爾定律和法拉第定律的基礎(chǔ)上,把數(shù)學(xué)分析方法帶進(jìn)了電磁學(xué)的研究領(lǐng)域,由此導(dǎo)致麥克斯韋電磁理論的誕生。
|
|