麦克斯韦创立的电磁理论究竟讲了什么,简单带你了解一下

2020-08-27 15:25:03 作者: 麦克斯韦创立

经典力学、电磁理论、热力学、统计力学构成了经典物理学体系,那么电磁理论究竟讲了些什么,让我们一起来了解一下。

1831年,这是一个人类历史上都值得永远铭记的时刻,法拉第在这一年发现了电磁感应理论,这个理论标志着一场重大的工业和技术革命的到来,人类由蒸汽时代正在向电气化时代迈进,历史似乎早已冥冥之中注定,在这一年,另外一个正式带领大家迈入电气化时代的人降生了!他的名字叫做麦克斯韦。

在大学期间,麦克斯韦在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后,坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望,决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。

在经过十几年的研究之后,麦克斯韦把电磁场理论由介质推广到空间,更是假设在空间存在一种动力学以太(科学家认为以太是传播光的媒介,引力甚至电、磁力是在以太中传播的,由此发展了“光以太”假说),它有一定的密度,具有能量和动量:它的动能体现磁的性质,势能体现电的性质,它的动量是电磁最基本的量,表示电磁场的运动性质和传力的特征。在1865年,他提出了一共包含20个变量的20个方程式,即著名的麦克斯韦方程组。他在1873年尝试用四元数来表达,但未成功!

1873年麦克斯韦将自己十几年的研究成功集结成册,出版了科学名著《电磁理论》。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。他还预言了电磁波的存在,电磁波的存在也正式敲开了现代无线通信的大门。

麦克斯韦建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。可以说,没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。

然而在当时,麦克斯韦却的学说却并没有得到承认,正如当初大家把亚里士多德的著作奉为神典永无错漏一般,18、19世纪的科学家也将牛顿奉为神明。

麦克斯韦为了推广自己的电磁学理论,最终积劳成疾,在1879年不幸逝世,所以到去世也没有将自己构想的麦克斯韦方程组完美地表达出来。

1884年,奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表达,才有了现在我们所看到的麦克斯韦方程组!

奥利弗·赫维赛德也是一个传奇,他因为患有猩红热,耳朵听不清楚,却自学成才,他将麦克斯韦付出由四元数改为矢量,将原来20条方程减到4条微分方程。

而吉布斯则奠定了化学热力学的基础,他创立了向量分析并将其引入数学物理之中,更将麦克斯韦方程组引入物理光学的研究。这两个人合理构建了我们现在所看到的麦克斯韦表达形式!

麦克斯韦一般主要有积分形式和微分形式,其中方程组中H为磁场强度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁通密度。J为电流密度,,ρ为电荷密度。在采用其他单位制时,方程中有些项将出现一常数因子,如光速c等。

积分形式的麦克斯韦方程组是描述电磁场在某一体积或某一面积内的数学模型,其中第一个公式式是由安培环路定律推广而得的全电流定律,第二个公式是法拉第电磁感应定律的表达式,第三个公式是表示磁通连续性原理,最后一个公式是高斯定律的表达式。

麦克斯韦方程组的积分形式既描述了电场的性质,也描述了磁场的性质,也描述了变化的磁场激发电场的规律,更描述了传导电流和变化的电场激发磁场的规律。

它反映了空间某区域的电磁场量(D、E、B、H)和场源(电荷q、电流I)之间的关系。在电磁场的实际应用中,经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。而微分形式就是麦克斯韦方程组积分形式在数学形式下的转化!

麦克斯韦方程组准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷纭的现象归纳成为一种统一完整的学说。

然而由于当时的历史条件,人们仍然只能从牛顿的经典数学和力学的框架去理解电磁场理论,这也是为什么当时大家并不了解麦克斯韦电磁学理论的原因。

直到赫兹经过反复实验,发明了一种电波环,用这种电波环作了一系列的实验,终于在1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。

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