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做过工,开过荒,教过书,扛过枪,当过干部仍在党,现任公司董事长。业余以探索天地人和谐之道为乐!

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(原创)麦克斯韦方程组  

2008-02-05 07:37:16|  分类: 科学的皇后 |  标签: |举报 |字号 订阅

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麦克斯韦方程组是指麦克斯韦联立的4个电磁学方程:电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第电磁感应定律,以及经他修正过的安培环路定律。

因为它揭示了电场与磁场互生运动的客观规律,首先从数学理论上预知了电磁波的存在(22年后被后世科学家实践证实),被英国科学期刊《物理世界》2004年10月号公布为读者选出的科学界历来“最伟大的公式”之一,并且麦克斯韦的方程组名列榜首。

麦克斯韦于1831年生于英国爱丁堡,数学天才加上敏锐的物理直觉,使他很快成为一位卓越的物理学家。

麦克斯韦最重要的贡献,当然是他所提出的一组电磁学方程组——它由四个偏微分方程式组成(亦可转换成积分方程式),每个方程式对应一个重要的电磁学定律。如下图:

 

有意思的是各定律皆非他所发现,却是他将四个定律放在一起,并整理成形式统一的数学方程式——电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第电磁感应定律,以及经他修正过的安培环路定律。原则上,宇宙间任何的电磁现象,皆为这四个定律所涵盖。

麦克斯韦提出了有旋电场的概念和位移电流的假设,揭示了电磁场的内在联系和相互依存,完成了建立电磁场理论的关键性突破。麦克斯韦熟练地运用了当时正在发展的矢量分析理论,找到了表述电磁场(空间连续分布的客体)的适当数学工具。

在1865年提出这组完美的方程组之后,麦克斯韦进一步在这些数学式中寻找新的物理现象,竟以纸笔推算出电磁波的存在,甚至连波速都算了出来。这个理论中的波速竟然和当时已知的光速非常接近,因此他做出一个大胆的假设:电磁波是真正存在的物理实体,而可见光是电磁波的一个特例。

麦克斯韦的方程组首先从数学理论上预知了电磁波的存在,遗憾的是,他有生之年未能见证电磁波存在的客观证据。直到1887年,赫兹在实验室制造并测得电磁波,量到电磁波的波长与波速,实验数据与麦克斯韦的预测完全符合。

1879年麦克斯韦去世,正是爱因斯坦出生之年。有人说难不成爱因斯坦是麦克斯韦投胎再生的?

进入20世纪后,电磁波的每个波段(包括长波、中波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等)都找到了实用价值,成为人类不可或缺的伙伴。

(作者:周法哲2008年2月5日星期二于珠海)

 

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