浅谈麦克斯韦方程组的建立及启示

1、浅谈麦克斯韦方程组的建立及启示学号：1006020426 班级：通信四班 姓名：王绥进摘要：麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大物理学家。在前人工作的基础上，他对电磁学的研究进行了全面的总结，并提出了感生电场和位移电流的假设，建立了完整的电磁理论体系，为科学史的发展添上了浓墨重彩的一笔，他的物理研究方法及自身人格魅力也对后世产生了深远影响。关键词：麦克斯韦方程组 科学意义 电磁理论特点正文：（一） 麦克斯韦方程组简述1.积分形式这是1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程.其中：（1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感

2、应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。 （2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。 （3）描述了变化的磁场激发电场的规律。 （4）描述了变化的电场激发磁场的规律。2.微分形式在电磁场的实际应用中，经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。从数学形式上，就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式。（二） 建立过程1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律（1785年），安培毕奥萨伐尔定律（1820年），法拉第定律（1831-1845年）已被总结

3、出来，法拉第的“电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。 场概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳，这是当时物理学中一个伟大的创举，因为正是场概念的出现，使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是“近距作用”的思想。 1855年至1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、安培毕奥萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生.（三） 麦克斯韦方程组建立的意义麦克斯韦将当时已发现的电磁场基本规律归纳为4个方程，分别以微分形式描述电场性质、磁场性质，揭示了变化的电场与磁场的关系、变化的磁场

4、与电场的关系。麦克斯韦方程以高度抽象的数学形式把电场与磁场完全统一起来，实际上起了电磁场运动方程的作用。由此出发，麦克斯韦进一步推论出了电磁波的存在和它的横波性，推算出电磁波的传播速度等于光速。这样，光是一种电磁波就成了麦克斯韦的天才预见。当时已知的全部光现象和电磁现象几乎都可以用麦克斯韦方程表示出来。麦克斯韦方程组的建立，标志着电磁学已从实验研究跨人到了理论总结的新的发展阶段，这对于以后电磁学的发展，特别是对于此后电波学的发展，具有开拓性的理论意义。麦克斯韦的电磁学理论已成为人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产，它在历史上的地位和影响与牛顿力学相比毫不逊色。法拉第和麦克斯韦在电动力学和光学中

5、所引起的革命是自牛顿以来理论物理学中第一次最深刻和最富有成果的革命.（四） 麦克斯韦电磁理论特点1. 数学形式简单优美麦克斯韦方程组在历史上的建立过程非常复杂, 但它的逻辑基础却很简单. 它是由麦克斯韦在3 个基本电磁实验定律( 库仑定律、毕奥- 萨伐尔定律、法拉弟电磁感应定律) 的基础上, 引出涡旋电场与位移电流的2个假设, 并将这些定律与假设加以整合与推广而得到.麦克斯韦方程组的数学形式也具有简单性, 而且从麦克斯韦方程组的发展历史来看, 它是逐渐变得简单的. 麦克斯韦最初给出的是20 个方程与20 个变量.从整个麦克斯韦方程组的发展过程可以看出, 一个物理方程, 当其数学形式越来越简单时

6、, 每个方程所表示的物理内涵却越来越丰富, 其内容也越来越深刻,概括性亦越高, 同时抽象程度也越深.2. 电场与磁场以及时间空间的明显对称性麦克斯韦认为, 变化的磁场之所以会使导体产生电流, 是因为变化的磁场产生了涡旋电场, 这已经上升到理性抽象阶段. 同时, 麦克斯韦进一步运用对称性思维, 他认为变化的电场也会产生磁场, 这便是位移电流的提出. 所以, 对称性思想对麦克斯韦方程组的建立起到了指引方向的作用.麦克斯韦方程组的建立过程以及未来的发展趋势都与追求物理理论思维的对称性与物理方程形式的对称性密不可分, 这一过程既是唯象的, 又是抽象的, 它们是交替进行的.3. 电磁学的统一麦克斯韦方程

7、组的建立于物理学理论的统一起到了重要作用.首先, 麦克斯韦方程组完成了电、磁、光的统一.电场和磁场都满足波动方程, 也就是说电场和磁场都是一种波. 麦克斯韦预言这种波就是电磁波。其次, 麦克斯韦方程组引领了物理学追求统一的热潮. 这股热潮的发起者是爱因斯坦. 前文叙及, 麦克斯韦方程组完成了电、磁、光的统一, 但这种统一实质上仅仅是找到了电与磁的转换关系, 还只能说是表层的, 它们之间还必然还存在着深层次的内在统一性. 这种内在统一性由爱因斯的狭义相对论得已实现.结束语麦克斯韦方程组的建立是物理学史上一朵璀璨的奇葩，他对后世的影响是不可磨灭的，同时，麦克斯韦的研究方法及其人格魅力也给我们以深刻

8、启示。1. 麦克斯韦兴趣广泛，才智过人，他不但精于运用数学工具来分析物理问题，而且善于建立各种模型来类比不同的物理现象。他使科学家们意识到量纲分析的重要性，并且在物理理论领域传播了模式概念，而这一概念已成为现代物理学的一个重要特点。2. 善于总结他人经验成果，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、安培毕奥萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，做了大量理论研究，建立了完整的麦克斯韦方程组。3. 大胆假设，小心求证。麦克斯韦大胆提出了感生电场和位移电流的假设，从而为电磁理论的建立奠定了基础。在大量理论研究基础上预言额电磁波的存在，并为后世所证实。4. 为人谦逊，麦克斯韦一生勤奋不懈，著述甚丰。他一生共写了大约l00多篇学术论文，4部科学专著。他曾担任大英百科全书第九版的科学编辑，为该书撰写了许多条目。麦克斯韦虽然取得了众多科学成就，但他从不居功自傲，终生保持着谦逊谨慎的优良品格。他认为，自己与法拉第相比，只不过是一枝笔，仅是写出了法拉第那些杰出的科学思想。法拉第的科学思想大多是从实验中得来，而麦克斯韦的理论大多从数学推导中得来。，爱因斯坦曾把法拉第和麦克斯韦比作科学上的伴侣，就像当年天文学上的第谷和开普勒一样。由此我们看到，在科学的道路上，只有靠众多英才前赴后继、继往开来的努力，才能推进科学事业的进步！参考文献：1. 钱照临、许良英主编：世界著名科学家传记物理学家，科学出版社l