1.8Maxwell总结的电磁现象最初的20个方程

文化   2024-08-29 16:59   吉林  

前几篇我们看到了简洁的麦克斯韦方程组,不过据说麦克斯韦方程组最初有20个呢!是Heaviside将这20个方程浓缩为四个方程的。

麦克斯韦方程组发表于1865的《A Dynamical Theory of Electromagnetic Field》,这是150多年前的论文了,文中的概念和我们现在的描述不太一样,但并不妨碍我们现在去阅读它。

这篇就来看一下这20个方程都是什么:

麦克斯韦论文中总结了八组方程,共计20个。

下面只做简单介绍,更详细的内容直接去看原文吧,一共有55页。

第一组方程(A)描述的是电位移:记p,q,r是单位面积上电流在x,y,z上的分量,电位移是物体分子两个表面表现出相反的电量,假设在物体上取体积元dxdydz的面dydz上的电量是fdydz,那么f叫做平行于x轴的电位移分量,电位移的变化加入电流中得到总的电流:

这组方程的现代形式就是,有三个方程。

第二组方程(B)描述的是磁力方程:论文中的电磁动量(现在的磁矢势,A)的分量(F,G,H),电磁动量(磁矢势)对时间的导数表示电动力(现在的电场强度,E),分量由(P,Q,R)表示:

磁力(现在的磁场强度H)由(α,β,γ)表示,磁感应系数(现在的相对磁导率)为μ,那么垂直于x的单位面积上的力线的数量是μα,整体总结为方程:

对应于现在的,也即,有三个方程,到此共计6个。

第三组方程(C)描述的是电流强度和磁效应之间的关系(安培环路定理):

对应于现在的,就是安培环路定理,有三个方程,到此共计9个。

该方程与(A)联立就是

第四组方程(D)描述的是电动力方程:

也就是,第一项表示由导体自身运动产生的电动力。第二项表示磁场的变化,第三项是电势分布,有三个方程,到此共计12个。

该方程取旋度就是

第五组方程(E)给出了电动力(电场强度)和电位移的关系(电弹性方程),在各向同性材料/介质中有关系

对应于现在的,有三个方程,共计15个。

第六组方程(F)描述的是电动力(电场强度)和电流的关系(欧姆定律):在各向同性的导电材料/介质中有

对应于现在的欧姆定律,有三个方程,共计18个。

第七组方程(G)描述的是自由电荷方程(高斯定理),用e表示在场的任何单位体积内包含的自由正电量,fgh是电位移,那么有

对应于现在的,有一个方程,共计19个。

第八组方程(H)描述的是自由电荷和电流的关系(连续性方程):如果介质能导电,那么就有

对应于现在的,一共20个方程,描述了电磁规律。

这些方程后来被Heaviside总结为了四个,Maxwell把物理书变厚,而Heaviside把物理书变薄,只是大家都记得Maxwell而不记得Heaviside。

而这20个方程中我们发现是有一组欧姆定律,它并没有写在现在的矢量形式中,它在电磁规律中与麦克斯韦方程组具有同等地位,而电荷守恒定律已包含在了现在的麦克斯韦方程组中。重构后的方程组与原方程组还是稍微有一些不一致的。

而这四个矢量方程我们也可以浓缩为两个方程:

或者一个方程:

论文《A Dynamical Theory of Electromagnetic Field》链接获取:https://www.bem.fi/library/1865-001.pdf

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物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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