694 字
3 分钟
麦克斯韦方程组

一、位移电流#

在原始的安培环路定理中,只考虑了电流产生磁场:

Bdl=μ0i\oint \vec{B} \cdot \mathrm{d}\vec{l} = \mu_0 i

但在电容充放电等情况下,电流的连续性会断开(比如电容板之间没有实际电流通过),这导致了矛盾。例如,如果我们取一个环路穿过电容板之间的空间,按安培定律,环路上应有磁场,但空间中没有实际电流。或者说选取下图中圈1作为安培环路,利用斯托克斯公式,将积分写为面积分形式,发现如果取得曲面是2或者4,则不存在问题,但是若是取曲面3,曲面3并不包括任何电流,导致这一细节问题产生。

image-20251126101504304

麦克斯韦为了解决这个矛盾,引入了位移电流的概念:

  • 当电场随时间变化时,也会在空间中产生磁场。
  • 位移电流并不是真正的电荷流动,而是电场变化引起的“等效电流”。

位移电流密度定义为:

jd=ε0Et\vec{j}_d = \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}

二、麦克斯韦补充后的安培环路定理#

麦克斯韦将安培环路定理扩展为:

Bdl=μ0(i+ε0dΦEdt)\oint \vec{B} \cdot \mathrm{d}\vec{l} = \mu_0 \left( i + \varepsilon_0 \frac{\mathrm{d} \Phi_E}{\mathrm{d} t} \right)

其中,ΦE\Phi_E是穿过环路所围面积的电场通量:

ΦE=EdA\Phi_E = \int \vec{E} \cdot \mathrm{d}\vec{A}

更一般地,在积分形式下,麦克斯韦方程组的最后一个方程(安培-麦克斯韦定律)为:

Bdl=μ0i+μ0ε0EtdA\oint \vec{B} \cdot \mathrm{d}\vec{l} = \mu_0 i + \mu_0 \varepsilon_0 \iint \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \cdot \mathrm{d}\vec{A}
  • 第一项是传导电流,即实际电荷流动。
  • 第二项是位移电流,即电场变化产生的等效电流。

三、麦克斯韦方程组积分形式#

四个方程积分如下,积分形式可以通过高斯定理和斯托克斯定理转化为微分形式:

1、电场高斯定律#

EdA=q0ε0\int\kern{-8pt}\int \kern{-23mu} \bigcirc \vec{E} \cdot \mathrm{d}\vec{A} = \frac{q_0}{\varepsilon_0}

转化为

E=ρε0\nabla \cdot \vec{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0}

2、磁场高斯定律#

BdA=0\int\kern{-8pt}\int \kern{-23mu} \bigcirc \vec{B} \cdot \mathrm{d}\vec{A} = 0

转化为

B=0\nabla \cdot \vec{B} = 0

3、法拉第定律#

Edl=dΦBdt=BtdA\oint \vec{E} \cdot \mathrm{d}\vec{l} = -\frac{\mathrm{d} \Phi_B}{\mathrm{d} t} = -\iint\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot \mathrm{d}\vec{A}

转化为

×E=Bt\nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}

4、麦克斯韦补充后的安培环路定理#

Bdl=μ0i+μ0ε0EtdA\oint \vec{B} \cdot \mathrm{d}\vec{l} = \mu_0 i + \mu_0 \varepsilon_0 \iint \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \cdot \mathrm{d}\vec{A}

转化为

×B=μ0j+μ0ε0Et\nabla \times \vec{B} = \mu_0 \vec{j} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}

5、麦克斯韦方程组微分形式#

为了包含含介质的情况,将上式改写:

{D=ρe0B=0×E=Bt×H=j0+Dt\left\{ \begin{aligned} &\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 + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \end{aligned} \right.
  • 这里D\vec{D}是电位移矢量,H\vec{H}是磁场强度,j0\vec{j}_0是自由电流密度。
  • 在真空中,D=ε0E\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E}H=B/μ0\vec{H} = \vec{B} / \mu_0
分享

如果这篇文章对你有帮助,欢迎分享给更多人!

麦克斯韦方程组
https://www.laoguantx.cn/posts/maxwellsequations/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-11-26
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

部分信息可能已经过时

封面
Sample Song
Sample Artist
封面
Sample Song
Sample Artist
0:00 / 0:00