Field note

Maxwell's_Equations

Maxwell’s Equations

电磁学基本方程

四个方程(真空中):

  • 电场高斯定理:
∬E⃗⋅dA⃗=q0ϵ0\iint \vec{E} \cdot d \vec{A} = \frac{q_{0}}{\epsilon_{0}}
  • 磁场高斯定理:
∬B⃗⋅dA⃗=0\iint \vec{B} \cdot d \vec{A} = 0\notag
  • 法拉第电磁感应定律:
∮E⃗⋅dl⃗=−dϕBdt=−∬∂B⃗∂t⋅dA⃗\oint \vec{E} \cdot d \vec{l} = -\frac{d\phi_{B}}{dt} = -\iint \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d \vec{A}\notag
  • 安培环路定律:
∮B⃗⋅dl⃗=μ0i\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_{0}i\notag

电介质中:

引入极化强度矢量P⃗\vec{P},电位移矢量D⃗\vec{D},介电常数κe\kappa_{e},电流密度J⃗\vec{J},磁感应强度B⃗\vec{B},磁场强度H⃗\vec{H},磁化强度M⃗\vec{M}.它们有如下的关系:

D⃗=ϵ0E⃗+P⃗=(1+χe)ϵ0E⃗=κeϵ0E⃗J0⃗=σE⃗(欧姆定律微分形式)\vec{D} = \epsilon_{0} \vec{E} + \vec{P} = (1 + \chi_{e})\epsilon_{0} \vec{E} = \kappa_{e} \epsilon_{0} \vec{E} \vec{J_{0}} = \sigma \vec{E}(欧姆定律微分形式)\notag H⃗=B⃗μ0−M⃗\vec{H} = \frac{\vec{B}}{\mu_{0}} - \vec{M} M⃗=χmH⃗⇒B⃗=μ0(H⃗+M⃗)=μ0(1+χm)H⃗=μ0κmH⃗\vec{M} = \chi_{m}\vec{H} \Rightarrow \vec{B} = \mu_{0}(\vec{H} + \vec{M}) = \mu_{0}(1 + \chi_{m})\vec{H} = \mu_{0}\kappa_{m}\vec{H}\notag

从而引入新方程:

∬D⃗⋅dA⃗=q0\iint \vec{D} \cdot d\vec{A} = q_{0} ∬B⃗⋅dA⃗=0\iint \vec{B} \cdot d \vec{A} = 0 ∮E⃗⋅dl⃗=−∬∂B⃗∂t⋅dA⃗\oint \vec{E} \cdot d \vec{l} = - \iint \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d \vec{A} ∮H⃗⋅dl⃗=∬J⃗⋅dA⃗\oint \vec{H} \cdot d \vec{l} = \iint \vec{J} \cdot d \vec{A}\notag

把它变成微分形式:

{∇⋅D⃗=ρe0∇⋅B⃗=0∇×E⃗=−∂B⃗∂t∇×H⃗=j0⃗\left\{ \begin{matrix} \nabla \cdot \vec{D} = \rho_{e0} \\ \nabla \cdot \vec{B} = 0 \\ \nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \\ \nabla \times \vec{H} = \vec{j_{0}} \end{matrix} \right.\notag

对称性原则:科学家希望世界是对称的,磁场和电场也一样

所以科学家引入磁荷qmq_{m}对方程修正

{∬B⃗⋅dA⃗=0∮E⃗⋅dl⃗=−∬∂B⃗∂t⋅dA⃗→{∬B⃗⋅dA⃗=qm∮E⃗⋅dl⃗=dqmdt−∬∂B⃗∂t⋅dA⃗\left \{ \begin{matrix} \iint \vec{B} \cdot d \vec{A} = 0 \\ \oint \vec{E} \cdot d \vec{l} = - \iint \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d \vec{A} \end{matrix} \right. \rightarrow \left \{ \begin{matrix} \iint \vec{B} \cdot d \vec{A} = q_{m} \\ \oint \vec{E} \cdot d \vec{l} = \frac{dq _{m}}{dt} - \iint \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d \vec{A} \end{matrix} \right.\notag

Stokez公式与麦克斯韦方程

先用电场的环路定理,然后用斯托克斯公式变成面积分

∮H⃗⋅dl⃗=i0=∬S2j0⃗⋅dA⃗\oint \vec{H} \cdot d \vec{l} = i_{0} = \iint_{S_{2}} \vec{j_{0}} \cdot d \vec{A} ∬S1j0⃗⋅dA⃗=∬S2j0⃗⋅A⃗=i0\iint_{S_{1}} \vec{j_{0}} \cdot d \vec{A} = \iint_{S_{2}} \vec{j_{0}} \cdot \vec{A} = i_{0} ∬Sj0⃗⋅A⃗=∬S1j0⃗⋅dA⃗+∬S2j0⃗⋅dA⃗=0\iint_{S} \vec{j_{0}} \cdot \vec{A} = \iint_{S_{1}} \vec{j_{0}} \cdot d \vec{A} + \iint_{S_{2}} \vec{j_{0}} \cdot d \vec{A} = 0\notag

!!! note 第二个式子是分别对两个曲面用环路定理,都等于i0i_{0},然后把左边的关于s1s_{1}的积分移到右边去,相当于两个半个面合并为一个闭合曲面,最终结果等于零.

只要任何一个闭合曲面的积分,电流流进去和流出来的相等,那我任意取面,上边的公式都是成立的.

但是这个结论对于电容器充电过程并不成立.

!!! warning 对于上边的电容器充电过程,电流从左边流入,右边流出.对于(1,2),(1,4)(1,2),(1,4)构成的曲面,流进去和流出来是相等的,曲面积分为0.但是由于电容器两极板间没有电流,所以(1,3)(1,3)构成的曲面,流入流出的电流并不相等,曲面积分不为0,不好.

所以自然引入位移电流iDi_{D}

∮H⃗⋅dl⃗=I0+ID\oint \vec{H} \cdot d \vec{l} = I_{0} + I_{D}\notag

我们想要知道IDI_{D}到底是什么,从曲面积分出发

对于(1,3)(1,3)曲面,记为SS,电流只进不出

∬SJ⃗⋅dA⃗=−dqdt(电流定义)\iint_{S} \vec{J} \cdot d \vec{A} = -\frac{dq}{dt} (电流定义) ∬SD⃗⋅dA⃗=q(高斯定律)\iint_{S} \vec{D} \cdot d \vec{A} = q (高斯定律) 对q微分⇒dqdt=ddt∬SD⃗⋅dA⃗=∬S∂D⃗∂t⋅dA⃗对q微分 \\ \Rightarrow \frac{dq}{dt} = \frac{d}{dt} \iint_{S} \vec{D} \cdot d \vec{A} = \iint_{S} \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d \vec{A}\notag

带回第一个式子

∬SJ⃗⋅dA⃗=−∬S∂D⃗∂t⋅dA⃗\iint_{S} \vec{J} \cdot d \vec{A} = - \iint_{S} \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d \vec{A} ∬S(j0⃗+∂D⃗∂t)⋅dA⃗=0\iint_{S}(\vec{j_{0}} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{A} =0 −∬S1(j0⃗+∂D⃗∂t)⋅dA⃗=∬S3(j0⃗+∂D⃗∂t)⋅dA⃗- \iint_{S_{1}}(\vec{j_{0}} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{A} = \iint_{S_{3}}(\vec{j_{0}} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{A}\notag

我们发现j0+∂D∂tj_{0} + \frac{\partial D}{\partial t}在这个过程中进出是相等的,1曲面没有位移电流,3曲面没有自由电流,位移电流ID=I0I_{D} = I_{0}

引入三个物理量

{ΦD=∬D⃗⋅dA⃗ electric displacement flux 电位移通量iD=dΦDdt=∬∂D⃗∂t⋅dA⃗ displacement current 位移电流jD⃗=∂D⃗∂t displacement current density 位移电流密度\left\{ \begin{matrix} \Phi_{D} = \iint \vec{D} \cdot d \vec{A} \ electric \ displacement \ flux \ 电位移通量 \\ i_D = \frac{d\Phi_{D}}{dt} = \iint \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d \vec{A} \ displacement \ current \ 位移电流 \\ \vec{j_{D}} = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \ displacement \ current \ density \ 位移电流密度 \end{matrix} \right.\notag

所以我们就得到了新的安培环路定理:

∮H⃗⋅dl⃗=i0+iD=∬(j0⃗+∂D⃗∂t)⋅dA⃗\oint \vec{H} \cdot d \vec{l} = i_{0} + i_{D} = \iint(\vec{j_{0}} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d \vec{A}\notag

考虑下图的电容器充电,两极板间有位移电流IDI_{D},外边电路有自由电流I0I_{0},我们想证明ID=I0I_{D} = I_{0}

!!! note 电容器之间电场E=σeϵ0=qϵ0AE = \frac{\sigma_{e}}{\epsilon_{0}} = \frac{q}{\epsilon_{0}A},σe\sigma_{e}是面电荷密度,等于qA\frac{q}{A}

$q = \epsilon_{0}AE = \epsilon_{0} \Phi_{E} = AD$

(我们知道$D = \epsilon_{0} \vec{E} + \vec{P}$,电介质没有介质时,$\vec{P} = 0$,所以$D = \epsilon_{0}E = \Phi_{E}$)

$$
\Rightarrow i_{0} = \frac{dq}{dt} = \epsilon_{0} \frac{d\Phi_{E}}{dt} = \frac{d\Phi_{D}}{dt} = i_{D}
$$

我们就证明了$i_{D} = i_{0}$

如果电容器充满电,i0=iD=0i_{0} = i_{D} = 0

变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,这就是麦克斯韦方程.

最后可以得到:

∮H⃗⋅dl⃗=∬J⃗⋅dS⃗+∬∂D⃗∂t⋅dS⃗∇×H⃗=J⃗+∂D∂t\oint \vec{H} \cdot d\vec{l} = \iint \vec{J} \cdot d \vec{S} + \iint \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d\vec{S} \\ \nabla \times \vec{H} = \vec{J} + \frac{\partial D}{\partial t}\notag

最终得到麦克斯韦方程组: