Система уравнений электромагнитного поля

Полная система уравнений электромагнитного поля

Электромагнитное поле характеризуется четырьмя векторами Для сред с постоянной проницаемостью эти векторы связаны соотношениями

Поэтому при расчете достаточно определить только два вектора и из уравнений Максвелла.

Однако для однозначного определения и этих уравнений недостаточно, так как вектор по заданному ротору однозначно не определяется. Поэтому необходимо задать еще и дивиргенцию векторов и .

По теореме Гаусса в дифференциальной форме при постоянном значении

На основании принципа непрерывности магнитного потока при постоянном значении μ получаем .

Следовательно, полная система уравнений электромагнитного поля для сред с постоянными параметрами запишется следующим образом:

Физический смысл основных уравнений электромагнитного поля заключается в том, что магнитное поле всегда вихревое и возбуждается оно как движущимися зарядами, так и изменяющимся во времени электрическим полем.

Электрическое поле может быть вихревым (если оно возбуждается изменяющимся во времени магнитным полем) и безвихревым (если оно возбуждается постоянными во времени электрическими зарядами). Электрическое и магнитное поля связаны непрерывным взаимным превращением и представляют собой различные проявления единого электромагнитного поля, которое находится в движении и несет с собой запас энергии.

Для постоянных во времени процессов уравнения поля распадаются на две независимые системы: для электростатического поля и для магнитостатического поля

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение переменному электромагнитному полю.

2. В чем заключается физический смысл первого уравнения Максвелла?

3. Дифференциальную форму какого закона выражает второе уравнение Максвелла?

4. Дайте физическое толкование второго уравнения Максвелла.

5. Запишите полную систему уравнений переменного электромагнитного поля.

Система уравнений Максвелла для электромагнитного поля: смысл, способы решения

Уравнения Максвелла в электродинамике – это как законы Ньютона в классической механике или как постулаты Эйнштейна в теории относительности. Фундаментальные уравнения, в сущности которых мы сегодня будем разбираться, чтобы не впадать в ступор от одного их упоминания.

Полезная и интересная информация по другим темам – у нас в телеграм.

Уравнения Максвелла – это система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающая любые электромагнитные поля, связь между токами и электрическими зарядами в любых средах.

Уравнения Максвелла неохотно принимались и критически воспринимались учеными-современниками Максвелла. Все потому, что эти уравнения не были похожи ни на что из известного людям ранее.

Тем не менее, и по сей день нет никаких сомнений в правильности уравнений Максвелла, они «работают» не только в привычном нам макромире, но и в области квантовой механики.

Уравнения Максвелла совершили настоящий переворот в восприятии людьми научной картины мира. Так, они предвосхитили открытие радиоволн и показали, что свет имеет электромагнитную природу.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.

По порядку запишем и поясним все 4 уравнения. Сразу уточним, что записывать их будем в системе СИ.

Первое уравнение Максвелла

Современный вид первого уравнения Максвелла таков:

Тут нужно пояснить, что такое дивергенция. Дивергенция – это дифференциальный оператор, определяющий поток какого-то поля через определенную поверхность. Уместным будет сравнение с краном или с трубой. Например, чем больше диаметр носика крана и напор в трубе, тем большим будет поток воды через поверхность, которую представляет собой носик.

В первом уравнении Максвелла E – это векторное электрическое поле, а греческая буква «ро» – суммарный заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности.

Так вот, поток электрического поля E через любую замкнутую поверхность зависит от суммарного заряда внутри этой поверхности. Данное уравнение представляет собой закон (теорему) Гаусса.

Третье уравнение Максвелла

Сейчас мы пропустим второе уравнение, так как третье уравнение Максвелла – это тоже закон Гаусса, только уже не для электрического поля, но для магнитного.

Оно имеет вид:

Что это значит? Поток магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю. Если электрические заряды (положительные и отрицательные) вполне могут существовать по отдельности, порождая вокруг себя электрическое поле, то магнитных зарядов в природе просто не существует.

Второе уравнение Максвелла

Второе уравнение Максвелла представляет собой ни что иное, как закон Фарадея. Его вид:

Ротор электрического поля (интеграл через замкнутую поверхность) равен скорости изменения магнитного потока, пронизывающего эту поверхность. Чтобы лучше понять, возьмем воду в ванной, которая сливается через отверстие. Вокруг отверстия образуется воронка. Ротор – это сумма (интеграл) векторов скоростей частиц воды, которые вращаются вокруг отверстия.

Как Вы помните, на основе закона Фарадея работают электродвигатели: вращающийся магнит порождает ток в катушке.

Четвертое уравнение Максвелла

Четвертое — самое важное из всех уравнений Максвелла. Именно в нем ученый ввел понятие тока смещения.

Это уравнение еще называется теоремой о циркуляции вектора магнитной индукции. Оно говорит нам о том, что электрический ток и изменение электрического поля порождают вихревое магнитное поле.

Приведем теперь всю систему уравнений и кратко обозначим суть каждого из них:

Первое уравнение: электрический заряд порождает электрическое поле

Второе уравнение: изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле

Третье уравнение: магнитных зарядов не существует

Четвертое уравнение: электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле

Решая уравнения Максвелла для свободной электромагнитной волны, мы получим следующую картину ее распространения в пространстве:

Надеемся, эта статья поможет систематизировать знания об уравнениях Максвелла. А если понадобиться решить задачу по электродинамике с применением этих уравнений, можете смело обратиться за помощью в студенческий сервис. Подробное объяснение любого задания и отличная оценка гарантированы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *