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电磁场之麦克斯韦方程组-13

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    麦克斯韦电磁理论的基础是电磁学的三大实验定律,即库伦定律、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律。这三个实验定律是在各自的特定条件下总结出来的,它们仅分别适用于静电场、静磁场和缓慢变化的电磁场,不具有普遍适用性。
    麦克斯韦在其宏观电磁理论的建立过程中提出的科学假设可归纳为两个基本假设和其他一些假设:
    第一个基本假设是关于位于电流的假设。麦克斯韦提出变化的电场也是一种电流(称之为位移电流),也要产生磁场。这一假设揭示了时变电场要产生磁场。
    第二个基本假设是关于有旋电场的假设。麦克斯韦提出变化的磁场要产生感应电场,这个感应电场也像库伦电场一样对电荷有力的作用,但它移动电荷一周所做的功不为0,因而它不是位场(无旋场),而是有旋场。这一假设揭示了对时变磁场要产生电场。
    麦克斯韦的另一些假设是:有库伦定律直接得出的高斯定律在时变条件下也是成立的;由毕奥-萨伐尔定律直接导出的磁通连续性原理在时变条件下也是成立的。  

1 麦克斯韦方程组的积分形式  

    麦克斯韦方程组的积分形式描述的是一个大范围内(任意闭合面或闭合曲线所占空间范围)场与场源(电荷、电流以及时变的电场和磁场)相互之间的关系,按习惯依次排列为。    
    麦克斯韦方程第一方程:其含义为磁场强度沿任意闭合曲线的环量,等于穿过以该闭合曲线为周界的任意曲面的传导电流与位移电流之和;    
   
    麦克斯韦第二方程:其含义是电场强度沿任意闭合曲线的环量,等于穿过以该闭合曲线为周界的任意曲面的磁通量变化率的负值;    
   
    麦克斯韦第三方程组:其含义是穿过任意闭合曲面的磁感应强度的通量恒等于0;    
   
    麦克斯韦第四方程:其含义是穿过任意闭合曲面的电位移的通量等于该闭合面所包围的自由电荷的代数和;    
   

2 麦克斯韦方程组的微分形式    

    麦克斯韦方程组的微分形式(又称点函数形式)描述的是空间任意一点场的变化规律。    
   
  • Ø第一式表明时变磁场不仅由传导电流产生,也是由位移电流产生。位移电流代表电位移的变化率,因此该式揭示的是时变电场产生时变磁场;
  • 第二式表明时变磁场产生时变电场;
  • 第三式表明磁通永远是连续的,磁场是无散度场;
  • 第四式表明空间任意一点若存在正电荷体密度,则该点发出电位移线;若存在负电荷体密度,则电位移线汇聚于该点;
    麦克斯韦对宏观电磁理论的重大贡献是预言了电磁波的存在。这个伟大的发现后来被著名的“赫兹实验”证实,从而麦克斯韦宏观电磁理论的正确性提供了有力的证据。    

3 媒质的本构关系    

    当有媒质存在时,微分形式的麦克斯韦方程组尚不完备,因此需补充描述媒质特性的方程。对于线性和各向同性的媒质,这些方程是:称为媒质的本构关系,也称为电磁场的辅助方程。    
   
   
   
    麦克斯韦方程组是麦克斯韦宏观电磁理论的一个具有创新的物理概念、严密的逻辑体系、正确的科学推理的数学表达式。利用麦克斯韦方程组,再加上辅助方程,原则上就可以求解各种宏观电磁场问题。在电磁波获得广泛应用的今天,更能体会法拉第、麦克斯韦、赫兹等科学家对人类社会进步做出的伟大贡献。    

4 电容电路    

   
   
图1 平行板电容器与交流电压源相接      
(1)证明电容器两极板间的位移电流与连接导线中的传导电流相等;      
导线中的传导电流为:      
     
     
   

2)求导线附近距离连接导线为r处的磁场

    以r为半径作闭合曲线C,由于连接导线本身的轴对称性使得沿闭合线的磁场相等

   
   
   

    来源:电机设计青年


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首次发布时间:2026-06-29
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电机设计青年
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