Уравнения Максвелла

теория электрических и магнитных полей Максвелла. Система уравнений Максвелла.
23.4. Пояснения

к теории классической электродинамики.
23.5. Скорость распространения электромагнитного поля.
23.6. Релятивистская трактовка магнитных явлений (общие положения).

Сегодня: вторник, 26 декабря 2006 г.

ток – ток проводимости, то внутри есть и переменное электрическое

поле, т.е. ток смещения.
Магнитное поле проводника определяется полным током:
(23.1.1)

В зависимости от электропроводности среды и частоты (поля) оба слагаемых играют разную роль:
в металлах и на низких частотах jсм << jпров
в диэлектриках и на высоких частотах jсм играет основную роль.

и противоположные.
Поэтому jполн может быть как больше, так и

меньше тока проводимости или равен нулю.
Если мы имеем разомкнутый проводник, то на его концах обрывается лишь ток проводимости.
Если под током понимать полный ток, то окажется что в природе все переменные электрические токи – замкнуты.
Этот вывод сделан Дж. Максвеллом.

постоянном токе – гореть не будет:
емкость C – разрыв

в цепи постоянного тока.
Но вот в моменты включения лампа будет вспыхивать.





Рис. 23.1

электроны из одной обкладки в другую не переходят – между

ними изолятор (или вакуум).
В промежутке между обкладками появляется магнитное поле

~

+

¯

магнитным полем Максвелл ввел понятие ток смещения.
Такой термин имеет

смысл в таких веществах, как например диэлектрики. Там смещаются заряды под действием электрического поля.
Но в вакууме зарядов нет – там смещаться нечему, а магнитное поле есть.
Название Максвелла, «ток смещения» – не совсем удачное, но смысл, вкладываемый в него Максвеллом – правильный.

магнитное поле.
Токи проводимости в проводнике замыкаются токами смещения в

диэлектрике или в вакууме.
Переменное электрическое поле в конденсаторе создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, имеющий величину равную току в металлическом проводнике.

вами доказали, что поверхностная плотность поляризационных зарядов σ равна

– вектору электрического смещения:


Полный заряд на поверхности диэлектрика и, следовательно, на обкладках конденсатора
q = σS (S – площадь обкладки), тогда

вектора электрического смещения
Поэтому он и получил такое

название – ток смещения.
Плотность тока смещения

тока смещения связано с
направлением вектора

- правилом правого винта.

где χ –

диэлектрическая восприимчивость среды, ε – относительная диэлектрическая проницаемость.
Поэтому:
т.е.
Т.к. , следовательно
(23.2.6)
– плотность тока смещения в вакууме;
– плотность тока поляризации – плотность тока, обусловленная перемещением зарядов в диэлектрике.
Эта составляющая тока смещения выделяет джоулево тепло (тепло выделяющееся при процедурах УВЧ,…). Ток смещения в вакууме и в металлах – джоулева тепла не выделяет.

поле вызывает появление вихревого электрического поля.
Переменное электрическое поле вызывает появление

магнитного поля.
Взаимно порождаясь они могут существовать независимо от источников заряда или токов которые первоначально создали одно из них.
В сумме это есть электромагнитное поле (ЭМП)
Превращение одного поля в другое и распространение в пространстве – есть способ существования ЭМП.

теорию электрических и магнитных явлений, в которой он
использовал понятие ток

смещения, дал определение ЭМП и предсказал существование в свободном пространстве электромагнитного излучения, которое распространяется со скоростью света.

Конкретные проявления ЭМП – радиоволны, свет, γ – лучи и т.д.

В учение об электромагнетизме уравнения Максвелла играют такую же роль, как уравнения (или законы) Ньютона в механике.

знаем теорему о циркуляции вектора напряжённости магнитного поля:

но:

, тогда



(1)

Система уравнений Максвелла.

циркуляция вектора H по произвольному замкнутому контуру L равна

сумме токов проводимости и токов смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

В дифференциальной форме закон Био-Савара-Лапласа выглядит так:

(1)

индукции
Перейдем от вихревого электрического поля к магнитному:


(2)

Это уравнение

описывает явление электромагнитной индукции (закон Фарадея) и устанавливает количественную связь между электрическими и магнитными полями: переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. В этом физический смысл уравнения.

уравнения Максвелла соответствует закону сохранения энергии и правилу Ленца.
Если

бы знаки при и были одинаковы, то бесконечно малое увеличение одного из полей вызвало бы неограниченное увеличение обоих полей, а бесконечно малое уменьшение одного из полей, приводило бы к полному исчезновению обоих полей.
То есть различие в знаках является необходимым условием существования устойчивого ЭМП.

магнитного полей (статических полей)
(3)


Поток вектора электрического смещения

через замкнутую поверхность S равен сумме зарядов внутри этой поверхности.
Это уравнение показывает так же, что силовые линии векторов и начинается и заканчивается на зарядах.
В дифференциальной форме
(3)

уравнение выражает, то свойство магнитного поля, что линии вектора магнитной

индукции всегда замкнуты и что магнитных зарядов нет.
В дифференциальной форме
(4)

эти четыре уравнения не независимы, и между ними существует связь:

(5)
(6)
(7)



здесь σ – удельная проводимость, – плотность сторонних токов.

Эти уравнения называются уравнениями состояния или материальными уравнениями.
Вид этих уравнений определяется электрическими и магнитными свойствами среды.
В общем случае уравнения состояния очень сложны и нелинейны.

общими для электрических и магнитных полей в покоящихся средах.
Уравнения

Максвелла – инвариантны относительно преобразований Лоренца.
Физический смысл уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах полностью эквивалентен.

формах имеет вид:


- обобщенный

закон Био-Савара-Лапласа


- закон Фарадея

- теорема Гаусса

- отсутствие магнитных зарядов

единого ЭМП, создаваемого произвольной системой зарядов и токов.
В этой

теории решается основная задача электродинамики – по заданному распределению зарядов и токов отыскиваются характеристики электрического и магнитного полей.
Эта теория явилась обобщением важнейших законов, описывающих электрические и магнитные явления (аналогично уравнениям Ньютона и началам термодинамики).

создаются макрозарядами и макротоками.
Расстояния

от источников полей до рассматриваемых точек много больше размеров атомов.
Периоды изменения переменных электрических и магнитных полей много больше периодов внутренних процессов.

внутренний механизм явлений в среде. Среда описывается с помощью трёх

величин ε, μ и σ.

4. Теория Максвелла является теорией близкодействия, согласно которой электрические и магнитные взаимодействия происходят в электрических и магнитных полях и распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде.

ЭМП, которое может существовать независимо от источника, он вычислил скорость

распространения этого ЭМП.
Магнитное поле, создаваемое зарядом, движущимся в вакууме со скоростью v равно (из закона Био – Савара – Лапласа):
(23.5.1)
Но точечный заряд создаёт и электрическое поле на расстоянии r:
(23.5.2)
Умножая (23.5.1) на и сравнивая (23.5.2) с (23.5.1) можно записать:

ним движется и электрическое поле с той же скоростью.
Раз поле

перемещается следовательно оно переменное, а переменное электрическое поле создает переменное магнитное поле. Тогда
(23.5.4)
где – скорость распространения электрического поля.
С другой стороны при рассмотрении явления электромагнитной индукции мы получили, что магнитное поле , двигаясь со скоростью , порождает вихревое электрическое поле :

(23.5.5)

они обязаны двигаться с одинаковой скоростью
(в противном случае явление

электромагнитной индукции, и ток смещения мы наблюдали от случая к случаю, изредка, а не всегда, в любом случае).
Итак

' указывает, что одно поле порождает другое и наоборот).
Поскольку вектор

выражаемый векторным произведением, всегда перпендикулярен к обоим перемножаемым векторам, то из (23.5.7) и (23.5.8) следует, что векторы и взаимно перпендикулярны.

векторы взаимно перпендикулярны, то

Тогда абсолютные значения векторов
и

,
или , следовательно


это и есть скорость
распространения ЭМП в вакууме и равна она скорости света с.

она скорости света с:

μ >1 то всегда υ < c.
В отличие от других

форм материи ЭМП не может находиться в состоянии покоя.
Оно всегда движется, причём в вакууме скорость распространения ЭМП всегда равна с, независимо от системы отчёта.

полностью описывается законом Кулона.
Однако закона Кулона недостаточно для анализа

взаимодействия движущихся зарядов.
Такой вывод следует не из конкретных особенностей Кулоновского взаимодействия, а обусловливается релятивистскими свойствами пространства и времени релятивистскими уравнениями движения.

оказываются связанными определенными соотношениями при переходе от одной ИСО к

другой. Причём из формулы преобразования сил следует неизбежная зависимость силы от скорости в релятивистской теории.

Релятивистское уравнение движения имеет одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта (ИСО)

взаимодействия зарядов:
Имеем штрихованную систему K' отчёта, движущуюся со скоростью относительно

неподвижной системы отсчёта К. Причём K' движется в направлении увеличения x (рис. 23.4).




Рис. 23.4

К со скоростью U а в K' со скоростью U'.
Рассмотрим

взаимодействие этих двух зарядов в системе К и K'. Для этого нам необходимо знать закон преобразования сил при переходе от одной инерциальной системы отчёта к другой и влияние перехода на величину заряда. Но! Мы уже отмечали, что величина заряда не зависит от выбора системы отчёта. Если бы это было не так, то многоэлектронный атом, в котором электроны движутся с разными скоростями, не был бы электрически нейтральным.
Рассмотрим взаимодействие зарядов в системе: K' q – неподвижен, q0 – движется. Таким образом сила с которой q действует на q0 – кулоновская. Она будет зависеть от координат q и не зависеть от скорости q0

эта сила определяется электростатическим полем, которое создаёт заряд q. Тогда

где – сила электростатического взаимодействия.

силу, которая действует на заряд q в этой системе.
Согласно формулам

преобразования сил при переходе из одной системы отсчёта в другую
(23.6.2)

обозначим


Тогда

.
Умножим и

разделим правую часть на q0


Если υ << c ( ), то получим классический случай, т.е. – напряжённость электрического поля создаваемого зарядом q в системе К.
Тогда – это электрическая сила, действующая на заряд q0 в системе К, она не зависит от скорости частицы U.
Рассмотрим второе слагаемое
– это слагаемое определяет зависимость силы от
скорости заряда q0. Причем, опять же если , то .

другая сила , отличающаяся от кулоновской. Она

возникает в результате движения зарядов и называется магнитной.
То есть движение зарядов создаёт в пространстве магнитное поле или на движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила .
Естественно было бы назвать – напряжённостью магнитного поля. Однако по историческим причинам эта величина носит название индукции магнитного поля




Из сравнения и видно, что при υ ≈ с, является величиной второго порядка малости относительно – силы кулоновского взаимодействия.

другая сила , отличающаяся от кулоновской.
Она

возникает в результате движения зарядов и называется магнитной.
F = F1 + F2

То есть движение зарядов создаёт в пространстве магнитное поле или на движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила

При υ < с, является величиной второго порядка малости относительно – силы кулоновского взаимодействия.

Следовательно магнитное взаимодействие сравнимо с электрическим по величине лишь при достаточно больших скоростях (υ ≈ c) заряженных частиц.

при
Полную силу, действующую на заряд q0 со

стороны заряда q в системе K можно записать, как

Таким образом магнитное поле мы ввели исходя из инвариантности заряда и релятивистского закона преобразования сил.
СТО вскрывает физическую природу магнетизма, как релятивистский эффект.

и одновременно электрическим и магнитным, в зависимости от того, в

какой системе отсчёта мы его наблюдаем.
Это обстоятельство подчеркивает единство электромагнитного поля, а проведённые нами выкладки свидетельствует, что основным законом электричества и магнетизма является закон Кулона.
Все остальные законы магнитостатики могут быть получены из закона Кулона, инвариантности заряда и релятивистского закона преобразования сил (полей).