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麥克斯韋的電磁場方程有那些?

更新時間:2025-10-12

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資源介紹

麥克斯韋方程組

關于靜電場和穩恒磁場的基本規律,可總結歸納成以下四條基本定理:

靜電場的高斯定理:
靜電場的環路定理:
穩恒磁場的高斯定理:
磁場的安培環路定理:
上述這些定理都是孤立地給出了靜電場和穩恒磁場的規律,對變化電場和變化磁場并不適用。

麥克斯韋在穩恒場理論的基礎上,提出了渦旋電場和位移電流的概念:
1. 麥克斯韋提出的渦旋電場的概念,揭示出變化的磁場可以在空間激發電場,并通過法拉第電磁感應定律得出了二者的關系,即
上式表明,任何隨時間而變化的磁場,都是和渦旋電場聯系在一起的。
2. 麥克斯韋提出的位移電流的概念,揭示出變化的電場可以在空間激發磁場,并通過全電流概念的引入,得到了一般形式下的安培環路定理在真空或介質中的表示形式,即
上式表明,任何隨時間而變化的電場,都是和磁場聯系在一起的。
綜合上述兩點可知,變化的電場和變化的磁場彼此不是孤立的,它們永遠密切地聯系在一起,相互激發,組成一個統一的電磁場的整體。這就是麥克斯韋電磁場理論的基本概念。

在麥克斯韋電磁場理論中,自由電荷可激發電場 ,變化磁場也可激發電場 ,則在一般情況下,空間任一點的電場強度應該表示為
又由于,穩恒電流可激發磁場 ,變化電場也可激發磁場 ,則一般情況下,空間任一點的磁感強度應該表示為
因此,在一般情況下,電磁場的基本規律中,應該既包含穩恒電、磁場的規律,如方程組(1),也包含變化電磁場的規律,

根據麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流的概念,變化的磁場可以在空間激發變化的渦旋電場,而變化的電場也可以在空間激發變化的渦旋磁場。因此,電磁場可以在沒有自由電荷和傳導電流的空間單獨存在。變化電磁場的規律是:
1.電場的高斯定理 在沒有自由電荷的空間,由變化磁場激發的渦旋電場的電場線是一系列的閉合曲線。通過場中任何封閉曲面的電位移通量等于零,故有:
2.電場的環路定理 由本節公式(2)已知,渦旋電場是非保守場,滿足的環路定理是


3.磁場的高斯定理 變化的電場產生的磁場和傳導電流產生的磁場相同,都是渦旋狀的場,磁感線是閉合線。因此,磁場的高斯定理仍適用,即


4.磁場的安培環路定理 由本節公式(3)已知,變化的電場和它所激發的磁場滿足的環路定理為


在變化電磁場的上述規律中,電場和磁場成為不可分割的一個整體。

將兩種電、磁場的規律合并在一起,就得到電磁場的基本規律,稱之為麥克斯韋方程組,表示如下


上述四個方程式稱為麥克斯韋方程組的積分形式。

將麥克斯韋方程組的積分形式用高等數學中的方法可變換為微分形式。微分形式的方程組如下





上面四個方程可逐一說明如下:在電磁場中任一點處
(1)電位移的散度 等于該點處自由電荷的體密度 ;

(2)電場強度的旋度 等于該點處磁感強度變化率 的負值;
(3)磁場強度的旋度 等于該點處傳導電流密度 與位移電流密度 的矢量和;
(4)磁感強度的散度 處處等于零。
麥克斯韋方程是宏觀電磁場理論的基本方程,在具體應用這些方程時,還要考慮到介質特性對電磁場的影響,

即 ,
以及歐姆定律的微分形式 。

方程組的微分形式,通常稱為麥克斯韋方程。

在麥克斯韋方程組中,電場和磁場已經成為一個不可分割的整體。該方程組系統而完整地概括了電磁場的基本規律,并預言了電磁波的存在。Uwi物理好資源網(原物理ok網)

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