
1 绪言
1.1 历史背景
19世纪的物理学可谓是电磁学的天下,1800年,伏打(Volta)发明了电池,1826年,欧姆(Ohm)提出了欧姆定律
1820年,一次偶然的机会,丹麦物理学家奥斯特(Oersted)发现当磁针旁的导线接通电流时,原本平行于导线放置的磁针发现了偏转,由此,人类终于意识到了电与磁是有联系的,这一发现拉开了电磁统一理论的序幕。随后,安培(Ampere)、法拉第等物理学家发现并研究了大量电磁现象,以物理实验和数学分析为基础,建立起了一些零碎的电磁理论。
1864年,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831
最初的麦克斯韦方程组由20个等式和20个变量组成,其中有十八个方程可以用六个矢量方程集中表示,另外两个是标量方程,它们分别是总电流定律、磁场方程、安培环流定律、洛伦兹力方程、电弹性方程、欧姆定律、高斯定律、弹性方程。在麦克斯韦去世5年后,英国的赫维赛德(Heaviside)和德国的赫兹(Hertz)独立地将麦克斯韦给出的方程组简化为了4个方程:描述电荷如何产生电场的高斯电场定律、描述磁单极子不存在的高斯磁场定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律、以及描述电流和时变电场怎样产生磁场的安培-麦克斯韦定律。
1.2 麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组本身有积分与微分两种形式,而积分形式表达的物理意义最为直观,每一个方程都体现了电磁场理论的一个重要方面。因此,我们先给出其积分形式,然后根据高斯散度定理与斯托克斯旋度定理推出其微分形式。
1.2.1 积分形式
- 高斯电场定律:电荷产生电场,场通过任意闭合曲面的通量正比于曲面所包围的电荷总量。
- 高斯磁场定律:穿过任意闭合曲面的总磁通量为零。
- 法拉第定律:穿过一个曲面的磁通量的变化会在该曲面的任意边界路径上感生出电动势,并且变化的磁场会感生出环绕的电场。
- 安培-麦克斯韦定律:穿过曲面的电流或变化的电通量会产生沿曲面边界的环绕磁场。
其中
1.2.2 微分形式
积分形式的麦克斯韦方程组虽然有着明确直观的物理含义,但却难以应用于现实的问题,这是因为积分运算本身就比较复杂,我们往往无法对某一曲面进行积分。但是,通过散度定理与斯托克斯定理,我们可以将其转化为便于计算的微分形式,实际上,麦克斯韦方程组的微分形式比积分形式更为常用。
在18至19世纪,拉格朗日、格林、高斯等许多杰出的数学家对线、面与体积分的关系进行了大量的研究,其中最有代表性的成果便是高斯散度定理与斯托克斯旋度定理。对于连续可导的平滑矢量场,我们有
- 高斯散度定理:矢量场穿过闭合曲面
的通量等于
所包围的体积
中场的散度的积分:
- 斯托克斯旋度定理:矢量场在闭合路径
上的环流等于矢量场的旋度在以
为边界的曲面
上的法向分量积分:
简单来说,高斯散度定理说的是曲面积分和体积分的关系,而斯托克斯旋度定理说的是线积分和曲面积分的关系,这两个定理所表示的含义都是比较直观也可以想象的。利用高斯散度定理,我们可以将高斯电场定律与高斯磁场定律转化为微分形式,而利用斯托克斯旋度定理,我们可以将法拉第定律与安培-麦克斯韦定律转化为微分形式。
我们知道包围的电荷量
对高斯电场定律左边应用散度定理
上式对任何体积均成立,因此积分元相等
即高斯电场定律的微分形式,它表明了电场是有源的。应用同样的方法,我们可以得到高斯磁场定律的微分形式
它表明磁场是无源的。
对于法拉第定律,我们对左边的环流应用斯托克斯旋度定理
从而有
我们将对时间的导数移到积分号内部
由于