電磁感應(yīng)定律(麥克斯韋電磁理論到底說了什么)

經(jīng)典力學(xué)、電磁理論、熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)構(gòu)成了經(jīng)典物理體系。那么電磁理論是怎么說的？讓我們一起來了解一下。

1831年，這是人類歷史上應(yīng)該永遠銘記的一刻。法拉第在這一年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)理論，標志著一場重大工業(yè)和技術(shù)革命的到來。人類正從蒸汽時代走向電氣化時代，歷史似乎已經(jīng)注定。這一年，又一個正式帶領(lǐng)大家進入電氣化時代的人誕生了！他的名字叫麥克斯韋。

在大學(xué)里，麥克斯韋潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)的新理論和思想后，堅信法拉第的新理論中包含真理。于是他抱著為法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心用清晰準確的數(shù)學(xué)形式表達法拉第的天才思想。

經(jīng)過十幾年的研究，麥克斯韋將電磁場理論從介質(zhì)擴展到空，甚至假設(shè)空之間存在一個動態(tài)的以太(科學(xué)家認為以太是傳輸光的介質(zhì)，重力甚至電和磁都在以太中傳輸，從而發(fā)展了“光以太”假說)。它有一定的密度，能量和動量:它的動能。1865年，他提出了20個變量的20個方程，即著名的麥克斯韋方程組。他在1873年試圖用四元數(shù)來表達，但是失敗了！

四元數(shù)

1873年，麥克斯韋成功地將他十年的研究成果匯編成一本書，出版了著名的科學(xué)著作《電磁理論》。對電磁場理論進行了系統(tǒng)、全面、完善的闡述。這個理論已經(jīng)成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。他還預(yù)言了電磁波的存在，正式開啟了現(xiàn)代無線通信的大門。

電磁波

麥克斯韋統(tǒng)一了電、磁、光的電磁場理論，是19世紀物理學(xué)發(fā)展的最輝煌的成就，也是科學(xué)史上最偉大的綜合體之一。可以說，沒有電磁學(xué)，就沒有現(xiàn)代電工學(xué)，就沒有現(xiàn)代文明。

然而在當時，麥克斯韋的理論并沒有得到認可。就像亞里士多德的著作被奉為圣書一樣，18、19世紀的科學(xué)家也把牛頓奉為神。

為了推廣自己的電磁理論，麥克斯韋最終積勞成疾，于1879年去世，所以直到去世，他也沒有把自己的麥克斯韋方程組完美地表達出來。

1884年，奧利弗·亥維賽和Josiah Gibbs以矢量分析的形式重新表述，我們現(xiàn)在看到的麥克斯韋方程組就這樣誕生了！

奧利弗·亥維賽也是一個傳奇。因為他患有猩紅熱，耳朵聽不清楚，但他是自學(xué)的。他把麥克斯韋的努力從四元數(shù)變?yōu)橄蛄?，把原來?0個方程簡化為4個微分方程。

吉布斯奠定了化學(xué)熱力學(xué)的基礎(chǔ)。他創(chuàng)立了矢量分析并將其引入數(shù)學(xué)物理，甚至將麥克斯韋方程組引入物理光學(xué)的研究。這兩個人合理地構(gòu)造了我們現(xiàn)在看到的麥克斯韋表達式！

麥克斯韋一般有積分形式和微分形式，其中H是磁場強度，D是電通量密度，E是電場強度，B是磁通密度。j是電流密度，ρ是電荷密度。當采用其他單位時，方程中的某些項會有一個常數(shù)因子，如光速C等。

積分形式的麥克斯韋方程組是描述一定體積或面積內(nèi)電磁場的數(shù)學(xué)模型，其中第一個公式是由安培環(huán)路定律推廣而來的全電流定律，第二個公式是法拉第電磁感應(yīng)定律的表達式，第三個公式是磁通連續(xù)原理，最后一個公式是高斯定律的表達式。

麥克斯韋方程組的積分形式不僅描述了電場和磁場的性質(zhì)，還描述了改變磁場激發(fā)電場的規(guī)律，還描述了傳導(dǎo)電流和改變電場激發(fā)磁場的規(guī)律。

反映了空之間某一區(qū)域內(nèi)電磁場量(D，E，B，H)與場源(電荷Q，電流I)的關(guān)系。在電磁場的實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要知道空之間逐點電磁場量、電荷、電流的關(guān)系。微分形式是麥克斯韋方程組的積分形式在數(shù)學(xué)形式上的變換！

麥克斯韋方程組準確地描述了電磁場及其相互作用的特征。就這樣，他把混沌現(xiàn)象總結(jié)成了統(tǒng)一完整的理論。

但由于當時的歷史條件，人們只能從牛頓經(jīng)典的數(shù)學(xué)和力學(xué)框架中去理解電磁場理論，這也是當時人們不知道麥克斯韋電磁理論的原因。

直到赫茲經(jīng)過反復(fù)實驗發(fā)明了一種電波環(huán)，并用這種電波環(huán)做了一系列實驗。終于，在1888年，他發(fā)現(xiàn)了人們懷疑并期待已久的電磁波。

赫茲的實驗發(fā)表后，在全世界科學(xué)界引起了轟動。法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論在這一點上取得了決定性的勝利。

赫茲實驗裝置

一個世紀以來，麥克斯韋方程組在理論和應(yīng)用科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用?？梢哉f麥克斯韋方程組推開了現(xiàn)代文明的大門。

雖然麥克斯韋方程組構(gòu)成了電磁理論的基石，但它與牛頓的經(jīng)典力學(xué)相矛盾。麥克斯韋電動力學(xué)的一個結(jié)果是光速在不同的慣性系中是恒定的，這與經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換相矛盾。

它是伽利略變換經(jīng)典力學(xué)中使用的一種方法，在兩個僅以平均速度相對運動的參照系之間進行變換，屬于動態(tài)變換。伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)的時間空觀。

伽利略變換認為，在同一個參照系中，兩個事件同時發(fā)生，在其他慣性系中，兩個事件也必然同時發(fā)生。時間間隔的度量是絕對的，長度的度量也是絕對的。經(jīng)典力學(xué)定律的數(shù)學(xué)形式在任何慣性系中都是不變的，換句話說，所有慣性系都是等價的(相對性原理)；伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)中絕對時間空的概念。時間和空與參考系的運動狀態(tài)無關(guān)，時間和空是絕對的。

這種絕對的時間觀空與麥克斯韋創(chuàng)立的電動力學(xué)相沖突。如果把伽利略變換應(yīng)用于描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，我們會發(fā)現(xiàn)它的形式不是常數(shù)，即伽利略變換下的麥克斯韋方程組或電磁現(xiàn)象定律不滿足相對性原理。

我們可以從麥克斯韋方程組得到電磁波的波動方程，求解光速在true 空中為常數(shù)的波動方程。按照經(jīng)典力學(xué)的時間空觀點，這個結(jié)論只應(yīng)該在一個特定的慣性參照系中成立，這個參照系就是以太。

論證過程

總之:電磁現(xiàn)象遵循的麥克斯韋方程組不服從伽利略變換。

牛頓認為重力，甚至電和磁，在以太中傳播。受經(jīng)典力學(xué)思想的影響，物理學(xué)家假設(shè)宇宙中到處都有一種叫做以太的物質(zhì)。他們普遍認為以太是電磁波和光的媒介。在經(jīng)典物理理論中，這種無處不在的“以太”被視為絕對慣性系，在其他參照系中測得的光速是以太中光速與觀察者參照系相對于以太參照系的速度的矢量疊加。

兩者的矛盾也催生了另一個偉人，那就是愛因斯坦，他為了解決兩者的矛盾，提出了相對論。此時物理學(xué)已經(jīng)從經(jīng)典物理體系轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代物理體系，電磁理論也逐漸發(fā)展為現(xiàn)代物理體系中的量子電動力學(xué)。