通俗理解麦克斯韦方程组
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 1
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 2
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klddnf74 楼主
麦克斯韦方程组,19世纪物理学的高峰,表面上看都是最简单的原理,但却蕴含着许多不为人知的秘密。它预测的电磁波的存在,告诉我们光的理论速度,它启发了相对论的基本假设---真空中的光速不变,它改变了并将继续改变我们的世界。我们将尝试用通俗的方法理解麦克斯韦方程组,并尝试用最简单合理的方法推导光速。
首先看麦克斯韦方程组,它包含四个公式,前两个是电场和磁场的高斯定理,非常简单,非常符合直觉,它说电磁通量是在空间上是守恒的。就像一条河里的水流,不管宽的地方还是窄的地方,流量总是相同的。麦克斯韦的前两个公式其实就是在说这个朴素的概念。
具体看,第一个公式,电场的高斯定理:
表示电场 , 这是在说穿过一个任意的封闭曲线的电场通量正比于其内部的包裹的电荷量,无论怎么改变这个封闭曲面,远一点还是近一点,大一点还是小一点,电场通量从电荷出发后,不会凭空消失,也不会凭空产生。
是这里的系数,它等于介电常数。
第二个公式,磁场中的高斯定理:
由于目前还没有发现磁单极子,任意封闭曲面内不可能有磁场的源头,所以就直接等于0了。现在观测到的磁场都是无源场。它无头无尾,要么首尾相接成环,要么从无穷远来到无穷远去。这似乎破坏了麦克斯韦方程组平衡的美感,所以许多科学家也一直在寻找磁单极子,谁能找到它或者证明它不存在,谁就能拿到诺贝尔奖。
接着往下看,麦克斯韦方程组的后两项其实就是我们高中就学过的法拉第电磁感应定律和安培定律
2020年01月18日 07点01分 3
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klddnf74 楼主
法拉第定律:
这个伟大的公式在说感应电场的强度正比于磁通量的变化率,左边在说感应电场在一个封闭曲线上的空间积累量(不严谨地可以叫做电压),它正比于右边磁通量的变化速度。想想发电机和第二次工业革命给我们世界带来的巨大变化,其最核心的规律就是这个简单的公式。
第四个公式,安培定律:
法拉第定律告诉我们如何用磁生电,安培定律告诉我们如何用电生磁。如果只有法拉利定律,我们发的那么多电可能只能用来点亮电灯,有了安培定律,我们还可以拥有电机,机器代替手工业,法拉第定律和安培定律都是改变世界的重大发现。
我们具体来看一下这个公式,和法拉第电磁感应定律类似,这个公式右边第一部分在说感应磁场在空间环路上的积累正比于电场通量的变化速度。除此之外,为什么相比法拉第定律这个公式多了第二项呢?这是因为磁单极子不存在,但是电荷是存在的,除了变化的电场能产生磁场外,电流
也可以产生磁场(例如一个通直流电的导线就是一个不变电场但是有电流的情况),就像一个通电的线圈可以当作一个磁铁。我们大胆假设,如果有人发现了磁单极子,那么它的运动很可能会产生电场,法拉第定律将补上一项。
好了,麦克斯韦方程组就说完了,超级简单又十分优美。总结来讲就是高斯定律,法拉第定律和安培定律,通俗来讲就是电磁流量守恒,磁能生电,电能生磁。
2020年01月18日 07点01分 4
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 5
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 6
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 7
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 8
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 9
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 10
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klddnf74 楼主
2020年01月18日 07点01分 11
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