身边物理：麦克斯韦方程组完美描述电场与磁场

2024-06-12 百科知识版权反馈

【摘要】：麦克斯韦方程组，就是对电场和磁场的一次完美描述。麦克斯韦像麦克斯韦方程组是麦克斯韦在19世纪建立的描述电场与磁场的四个基本方程。在这个方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。麦克斯韦方程组就是这个电磁场理论体系的核心。当然，麦克斯韦方程组也并不是一蹴而就地形成的。

麦克斯韦方程组　电场与磁场的完美描述

奥斯特发现了电可以产生磁，法拉第论证了磁可以产生电，既然电和磁之间的关系如此密切，那么是否可以找到一个理论，将它们统一起来呢？麦克斯韦方程组，就是对电场和磁场的一次完美描述。

麦克斯韦年轻时发明的土星光环模型

麦克斯韦是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家。1831年11月13日，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生于苏格兰的爱丁堡。麦克斯韦的父亲是个知识渊博的律师，这使得聪颖的他从小就受到了非常良好的教育。麦克斯韦10岁时进入爱丁堡中学学习，14岁就发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文。正是这篇在爱丁堡皇家学会会刊上发表的论文，使年幼的他显露出了惊人的才华。

1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律（1785年），安培—毕奥—萨伐尔定律（1820年），法拉第定律（1831～1845年）已被总结出来。麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新思想和理论之后，麦克斯韦坚信法拉第的新理论包含着真理。当时，法拉第的“电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。而场概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳。正是因为场概念的出现，才使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是“近距作用”的思想。这在当时物理学界中被认为是一个伟大的创举。

麦克斯韦像

麦克斯韦方程组是麦克斯韦在19世纪建立的描述电场与磁场的四个基本方程。在这个方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，进一步地将电场和磁场的所有规律综合起来，并预言了电磁波的存在，建立了完整的电磁场理论体系。麦克斯韦方程组就是这个电磁场理论体系的核心。(www.chuimin.cn)

当然，麦克斯韦方程组也并不是一蹴而就地形成的。1855～1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、安培—毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础之上，和力学模型进行类比，逐渐完善创立出来的。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。而麦克斯韦的主要功绩恰恰是他能够跳出经典力学和经典数学的框架束缚：在物理上以“场”而不是以“力”作为基本的研究对象，在数学上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算符。这两条是发现电磁波方程的基础。

我们应当认识到，麦克斯韦方程组不是从物理数学公式中直接推演出这种本质，而是在数学的表达方式中“发现”或“看出”了这种对称性。它不仅揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性的优美，并且这种优美还以现代数学形式得到充分的表达。一方面，我们应当承认，恰当的数学形式能充分展示经验方法中看不到的整体性(电磁对称性)；另一方面，我们也不应当忘记，这种对称性的优美是以数学形式反映出来的电磁场的统一本质。

麦克斯韦的雕像突出了他在电磁理论研究方面的贡献

以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一，并被广泛地应用到技术领域。麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，就如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。

地球磁层

位于大气层顶600～1000千米高处存在着地球磁层，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万千米。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁尾的磁赤道附近，有一个特殊的界面，此界面称为中性片。中性片厚度大约有千米，它的磁场强度微乎其微。在界面两边，磁力线会突然改变方向。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

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