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麦克斯韦方程组

2020-01-22 19:17:44 作者 : admin 来源 : 本站

麦克斯韦方程组

麦克斯韦的四个方程是现代物理学的基础,也是自牛顿万有引力定律提出以来物理学七最重要的进展。麦克斯韦方程组指出电场和磁场是同一枚硬币的两面。两种场是电磁波这一现象的不同表现形式。

早在19世纪,实验物理学家们就发现电和磁可以互相转化。这一物理学上的重要进展是由麦克斯韦完成的。他仅用四个方程就完整描述了电磁场。

电磁波电和磁分别作用于带电粒子和磁体。变化的电场可以产生磁场,反之亦然。麦克斯韦解释了二者本质上同属一种现象——电磁波,它兼具电和磁的特性。电磁波包括变化的电场以及随着其变化而变化的磁场,二者互相垂直。

电磁波的波长范围很大,覆盖了整个可见光光谱。无线电波的波长很长(几米到几千米),可见光波的波长与原子间距接近,而频率很高的当属X射线和伽马射线。电磁波主要用于通信,如无线电波主要用于电视和手机信号的传输。电磁波也能提供热量(如微波炉),并常用于各种探测器(如医学X射线和电子显微镜等)。

电磁场所产生的电磁力是四种基本力之一,其他三种分别是万有引力和将原子与原子核束缚在一起的强核力和弱核力。使带电离子结合成化合物和分子的力正是电磁力,因此电磁力在化学上是很重要的。

场麦克斯韦最初研究的是法拉第基于实验描述电场和磁场的工作。在物理学中,场是在一定距离上传输力的方式。万有引力可以通过广袤的宇宙空间传输,产生所谓的重力场。同理,电场和磁场也可以作用于远处的带点粒子。如果将铁屑散落到纸上,在纸的下面放上一块磁铁,可以看到铁屑会沿着磁力的方向发生移动,形成自磁铁北极到南极的环形轮廓。离磁铁越远,磁场强度就越小。法拉第通过研究这些“磁力线”给出了一些简单的规律,他也试着为带电物体提出类似的规律,但他毕竟没有受过正规的数学训练,卒以失败告终。于是麦克斯韦最终担当了将电磁理论统一成数学形式的重任。

电磁方程组麦克斯韦仅用四个基本方程就成功地描述了所有的电磁现象,令所有科学家感到震惊。现在这四个方程非常有名,甚至有人将其印到了T恤衫上,后面还附上“于是上帝创造了光"这样的评论。虽然现在大家已经知道了所有的电磁波本质上都是一样的,但在当时,这个理论确是非常先进的,如同现在能把相对论和万有引力统一起来一样重要。

第一个麦克斯韦方程也就是高斯定律。该定律以19世纪物理学家卡尔•弗里德里希•高斯的名字命名,描述了带电物体产生电场的形状和强度口高斯定律是平方反比定律,与牛顿万有引力定律的形式相同。带电物体以外某点的电场强度与该点到带电物体的距离平方成反比。如果距离变为原来的两倍,则电场强度变为原来的四分之一。

虽然目前并没有科学依据表明手机信号对人体健康有害,但平方反比定律却告诉我们为什么附近有移动电话基站比没有会更安全。随着传输距离的增加,发射基站发出信号的强度迅速减弱,而手机使用时一般距离人的头部很近,此时发射场很强。因此,离基站越近,打电话时更具有潜在危险的手机的功率就越小。但人常常是不理性的,反而对信号站心存恐惧。

第二个麦克斯韦方程描述了磁场的强度和轮廓,或者说磁铁周围磁力线的轮廓。它说明所有磁力线,从南极到北极,都是环形闭合的。换句话说,所有的磁铁都有南极和北极,磁力线必须有始有终,磁单极是不存在的。这引出了原子论。该理论认为原子也有磁场,大量原子产生的小磁场如果方向一致,就能表现出宏观磁性。如果把一块条状磁铁切成两半,每块小磁铁上又会分别再生出一个南极或者北极。不管切多少次,所得小磁铁块仍然都有两个磁极。

第三个方程和第四个方程类似,描述的是电磁感应现象。第三方程说明变化的电流如何产生磁场,而第四方程说明变化的磁场如何产生电流。后者与法拉第感应定律类似。

麦克斯韦只用四个简单的方程就描述了如此之多的电磁现象。爱因斯坦对他的评价颇高,认为麦克斯韦是与牛顿齐名的物理学家。爱因斯坦继承了麦克斯韦的电磁理论,并以此为基础进一步提出了相对论。在爱因斯坦方程中,电和磁是观察者在不同参考系中所观察到的同一现象的不同表现形式。某个运动参考系中的电场可视为另一参考系中的磁场。正是爱因斯坦最终实现了电场和磁场的统一。

关键词 : 麦克斯韦

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