Уравнения Максвелла в интегральной форме

Введение тока смещения позволило Максвеллу блестяще завершить единую теорию электромагнитного поля. Эта теория не только объяснила все разрозненные явления электричества и магнетизма, но и предсказала ряд новых явлений, которые были подтверждены впоследствии.

Эта теория базируется на единой системе четырех уравнений Максвелла, которая может быть записана в интегральной и дифференциальной форме.

Уравнения Максвелла в интегральной форме:

1. Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ; (5.3)

2. Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ; (5.4)

3. Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ; (5.5)

4. Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru . (5.6)

Содержание каждого из этих уравнений заключается в следующем:

1. Циркуляция вектора Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru по любому замкнутому контуру равна со знаком минус производной по времени от магнитного потока через любую поверхность, ограниченную данным контуром. При этом под Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru понимается не только вихревое электрическое поле, но и электростатическое (циркуляция такого поля равна нулю). Отсюда следует, что если существует переменное во времени магнитное поле Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru , то оно порождает электрическое поле, циркуляция которого не равна нулю. Это электрическое поле имеет индукционное происхождение, т. е. будет вихревым, в отличие от потенциального ‑ электростатического. В частности, это означает, что силовые линии вихревого поля будут замкнутыми;

2. Поток вектора Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме сторонних зарядов, охватываемых этой поверхностью. (Фактически это теорема Гаусса для поля заряда, распределенного внутри замкнутой поверхности с объемной плотностью заряда Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru );

3. Циркуляция вектора Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru по любому замкнутому контуру равна полному току (току проводимости и току смещения) через произвольную поверхность, ограниченную данным контуром. Данное уравнение является обобщением теоремы полного тока, но с учетом тока смещения;

4. Поток вектора Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru сквозь произвольную замкнутую поверхность всегда равна нулю. Данное уравнение постулирует отсутствие в природе «магнитных» зарядов. (Это теорема Гаусса для магнитного поля).

Из уравнений Максвелла для циркуляции векторов Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru и Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru следует, что электрическое и магнитное поле нельзя рассматривать как независимые: изменение во времени одного из них приводит к появлению другого. Таким образом, следует рассматривать единое электромагнитное поле.

В то же время в случае стационарных полей ( Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru и Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ) система уравнений Максвелла распадается на две группы независимых уравнений:

Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ; Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ;

Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ; Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru .

В этом случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, поэтому могут рассматриваться физически и математически раздельно.

Само разделение поля на две части ‑ чисто электрическое и чисто магнитное является относительным. В самом деле, по принципу относительности все физические законы, в том числе и электромагнитные, являются инвариантными (т. е. имеют одинаковый вид, описываются одинаковыми уравнениями) во всех инерциальных системах отсчета. Поэтому если электрические заряды неподвижны относительно данной системы отсчета, то в ней они создают только электрическое поле. В другой же системе отсчета, относительно которой эти заряды подвижны, они создают и электрическое, и магнитное поля, поскольку, как мы знаем, магнитное поле создается движущимися зарядами. Точно так же постоянный ток в неподвижном проводе создает постоянное магнитное поле. Однако в другой инерциальной системе, в которой провод движется, магнитное поле будет меняться, и оно вызовет вихревое электрическое поле.

Следует подчеркнуть, что уравнения Максвелла в интегральной форме (5.3. – 5.6.) справедливы только для изотропнойсреды, т. е. такой среды, свойства которой одинаковы во всех направлениях. В общем случае анизотропнойсреды, т. е. такой, свойства которой зависят от направления, эти уравнения усложняются.

Вместе с системой уравнений Максвелла обычно записывается выражение для энергии электромагнитного поля:

Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru , (5.7)

так как объемная плотность энергии электрического и магнитного полей определяется формулой

Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru . (5.8)

Векторы напряженности электрического поля Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru и индукции магнитного поля Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru взаимно-перпендикулярны друг другу. Векторы индукции электрического поля Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru (который направлен в ту же сторону, что и вектор Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ), и напряженности магнитного поля Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru (направленный так же, как и вектор Уравнения Максвелла в интегральной форме - student2.ru ) также взаимно-перпендикулярны. Направление магнитного поля, созданного током смещения, соответствует правилу правого винта.

Наши рекомендации