经典电动力学汇总:电磁现象的普遍规律、静电场和静磁场

文摘   2024-12-08 00:00   浙江  

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今天我们继续来讨论经典电动力学的相关内容 , 主要是电磁现象的普遍规律 , 静电场静磁场三部分内容作一个简单的汇总(许多地方和原版书籍相比作了更详细的推导) .

经典电动力学汇总

在经典电动力学第一部分 , 我们把电磁现象的实验定律归纳成电磁现象的普遍规律 . 众所周知 , 电磁场是物质存在的一种状态 , 它有特定的运动规律和物质属性 , 且它还可以与其它的带点物质以一定的形式发生相互作用 . 由于每一种物质的存在形态都有它的自己的特征和特殊规律 , 故和一般的物质相比 , 电磁场的存在形态也有它自己的特点 , 毕竟实际物质通常是定域在空间中的确定区域内 , 而电磁场则弥撒于空间中 . 高压线附近存在着强电场 , 地球两极附近存在着强磁场 , 在我们周围的空间中则传播着各种形式的电磁波 , 于是电磁场是作为空间中某种分布而存在的且这种分布会随时间发生变化 . 根据电磁场的特点 , 需要借助两个矢量函数即电场强度 和磁感应强度 来描述电磁场在时刻 的状态 , 在经典电动力学中 , 我们完全可以只用这两个矢量函数来描述电磁场 , 电磁场的规律用数学形式表示就是这两个矢量场所满足的方程组 . 我们先分析静电场和静磁场的实验定律 , 然后再研究交变情形下的实验定律 , 由此总结出 Maxwell 方程组和 Lorentz 力公式 , 这些式子是宏观电磁场论的理论基础 , 我们可以用它们来解决各种与电磁场有关的问题 .

《1-1从电磁学到电动力学:电磁现象的普遍规律之电荷和电场》

《1-2从电磁学到电动力学:电磁现象的普遍规律之电流和磁场》

《1-3从电磁学到电动力学:电磁现象的普遍规律之 Maxwell 方程组和 Lorentz 公式》

《1-4电动力学补充专题:介质的电磁性质》

《1-5电动力学补充专题:电磁场的边值关系的详细推导》

《1-6电动力学专题:电磁场的能量和能流密度》

《1-7电动力学补充专题:静电场和静磁场部分习题解答(后续)》

在经典电动力学第二部分 , 我们把电磁场的基本理论应用到最简单的情形 , 即电荷静止以及相应的电场不随时间发生改变 , 主要研究的问题是在给定的自由电荷分布以及周围空间介质和导体分布下求解静电场 . 静电场的标势是一个很重要的概念 , 静电场问题通常都是通过标势来求解的 , 首先我们引入标势及其微分方程和边值关系 , 接下来介绍几种常见的求解静电场的方法 , 包括分离变量法 , 镜像法和 Green 函数法 , 然后我们计算在局域内的电荷分布所激发的电场在远处的展开式 , 这就有了电多极矩的概念 , 事实上电多极矩在原子物理 , 原子核物理以及电磁辐射问题中也有着重要的应用 .

《2-1电动力学补充专题:静电场的标势和静电势的微分方程和边值关系》

《2-2电动力学专题:静电场问题的唯一性定理及其证明》

《2-3-1电动力学专题:分离变量法解 Laplace 方程(理论部分)》

《2-3-2电动力学专题:分离变量法解 Laplace 方程(实例分析)》

《2-4-1电动力学专题:镜像法——一种特殊的求解静电场问题的方法》

《2-4-2电动力学专题:从特殊静电场边值问题到一般静电场边值问题的过渡&推荐一套本科物理学的系列丛书》

《2-5-1电动力学专题:Green 函数与一般静电场边值问题的求解(上篇)》

《2-5-2电动力学专题:Green 函数与一般静电场边值问题的求解(下篇)》

《2-6-1电动力学专题:电势的两种多极展开和电势的球谐函数展开》

《2-6-2电动力学补充专题:电势的多极展开&电多极矩的性质》

《2-7-1电动力学专题:静电场的问题合集》

《2-7-2"研数学 习物理"关于经典电动力学文章大汇总(最全面)&静电场的基本问题求解(补充篇)》

在经典电动力学第三部分 , 我们讨论恒定电流分布所激发的静磁场 , 而在恒定电流问题中 , 电场也是同时存在的 , 毕竟要维持导体中的电流 , 在导体内部就要有一定的电场 , 而且在形成电流的电源以及在导体表面上都带有一定的净电荷 , 故导线周围的空间中也是存在着电场的 , 但由 Maxwell 方程组可知 , 在恒定情形下 , 电场和磁场不直接发生连续 , 因此我们可以把磁场和电场分开来求解 . 另一方面 , 与静电场的标势相对应的概念是静磁场的矢势 , 我们可以利用矢势来求解静磁场的边值问题 , 尽管用矢势来描述磁场是客观普遍的 , 但是在求解某些静磁场的实际问题时往往会比较复杂 , 于是在某些特殊情形下我们可以借助磁标势的方法来求解静磁场的问题 , 接下来我们还要计算局域范围内电流分布所激发的磁场在远处的展开式 , 这就有了磁多极矩的概念 . 在经典电动力学中 , 电场强度 和磁感应强度 可以完全描述电磁场 , 但是在量子物理中却有实验表明 , 电场强度 和磁感应强度 不能完全描述电磁场的所有物理效应 , 然后我们重点讨论 Aharonov-Bohm 效应 , 这说明势具有可观测的物理效应 . 最后在近代物理中 , 超导现象对物理理论的发展和物理技术的应用方面都彰显其重要性 , 因此我们会简单介绍一下超导体的电磁性质 .

《3-1电动力学专题:静磁场的矢势和矢势的微分方程和边值关系》

《3-2电动力学专题:磁标势法——静磁场问题的求解》

《3-3-1电动力学专题:矢势的多极展开和磁偶极距的性质》

《3-3-2电动力学专题:电荷体系在外电场中的电能和电流分布在外磁场中的磁能》

《3-4电动力学专题:Aharonov-Bohm 效应简介》

《3-5经典电动力学专题:静电场部分和静磁场部分习题解答》

《3-6-1现代超导物理学专题(一):超导现象与超导体的基本性质

《3-6-2现代超导物理学专题(二):London 唯象理论与 Pippard 修正》

《3-6-3现代超导物理学专题(三):第二类超导体存在时磁场和超导电流分布的求解》

《3-6-4现代超导物理学专题(四):用磁介质的观点描述超导体》

《3-6-5现代超导物理学专题(五)::超导体中的磁通量子化》

参考文献和推荐阅读:

(1) 电动力学, by 郭硕鸿

(2) 经典电动力学, by John David Jackson

(3) 电动力学导论 , by David J.Griffiths



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专注于20世纪的各个领域(如代数,数论,代数几何,拓扑学,几何分析等)蓬勃发展的现代数学,也分享20世纪以前的数学和物理…
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