电磁感应原理 简述什么是电磁感应

经典力学、电磁理论、热力学和统计力学构成了经典物理体系,那么电磁理论讲什么呢?让我们来看看。

1831年,这是人类历史上应该永远铭记的时刻。法拉第在这一年发现了电磁感应理论,这标志着一场重大工业和技术革命的到来。人类正从蒸汽时代迈向电气化时代,历史似乎已经注定。在这一年,又一个正式带领大家进入电气化时代的人诞生了!他的名字叫麦克斯韦。

电磁感应原理 简述什么是电磁感应

在大学期间,麦克斯韦在研究了法拉第关于电磁学的新理论和思想后,坚信法拉第的新理论包含真理。于是他抱着为法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望,决心用清晰准确的数学形式表达法拉第的天才思想。

经过十几年的研究,麦克斯韦将电磁场理论从介质扩展到空,甚至假设空之间存在一种动态以太(科学家认为以太是传播光的介质,引力甚至电和磁都在以太中传播,从而发展了“光以太”假说),它具有一定的密度、能量和动量:它的动能。1865年,他提出了包含20个变量的20个方程,即著名的麦克斯韦方程组。他在1873年试图用四元数来表达它,但没有成功!

1873年,麦克斯韦成功地将自己十几年的研究集结成书,出版了著名的科学著作《电磁理论》。系统、全面、完善地阐述了电磁场理论。这一理论已成为经典物理学的重要支柱之一。他还预言了电磁波的存在,这正式打开了现代无线通信的大门。

麦克斯韦电磁场理论统一了电、磁和光学,是19世纪物理学发展中最辉煌的成就,也是科学史上最伟大的综合体之一。可以说,没有电磁学,就没有现代电工技术,也就没有现代文明。

然而,在当时,麦克斯韦的理论并没有得到认可。正如亚里士多德的著作被奉为圣书一样,牛顿在18、19世纪被科学家奉为神。

1879年麦克斯韦为了普及他的电磁理论不幸去世,所以直到去世他也没有将自己的麦克斯韦方程组完美地表达出来。

1884年,奥利弗·亥维赛和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表述,我们现在看到的麦克斯韦方程组诞生了!

奥利弗·亥维赛也是一个传奇。他因猩红热而失聪,但他自学成才。他将麦克斯韦的贡献从四元数改为矢量,并将原来的20个方程简化为4个微分方程。

另一方面,吉布斯奠定了化学热力学的基础。他创立了矢量分析并将其引入数学物理,甚至将麦克斯韦方程组引入物理光学的研究。这两个人合理地构建了我们现在看到的麦克斯韦表达式!

麦克斯韦一般有积分形式和微分形式,其中H为磁场强度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁通密度。j是电流密度,ρ是电荷密度。当使用其他单位时,方程中的一些项将具有常数因子,例如光速c。

积分形式的麦克斯韦方程组是描述一定体积或面积内电磁场的数学模型,其中第一个公式是由安培环路定律推广而来的全电流定律,第二个公式是法拉第电磁感应定律的表达式,第三个公式是磁通连续原理,最后一个公式是高斯定律的表达式。

麦克斯韦方程组的积分形式不仅描述了电场的性质,而且描述了由变化磁场激发的电场的规律,甚至描述了传导电流和由磁场激发的变化电场的规律。

它反映了空之间某一区域内电磁场(D,E,B,H)与场源(电荷Q,电流I)之间的关系。在电磁场的实际应用中,往往需要知道空之间的逐点电磁场与电荷、电流之间的关系。微分形式是麦克斯韦方程组积分形式在数学形式上的变换!

麦克斯韦方程组准确地描述了电磁场及其相互作用的特征。就这样,他把混乱的现象总结成了一个统一而完整的理论。

然而,由于当时的历史条件,人们只能从牛顿经典数学和力学的框架中理解电磁场理论,这也是当时人们不理解麦克斯韦电磁理论的原因。

直到赫兹经过反复实验发明了一种电波环,并用这种电波环做了一系列实验。终于,在1888年,人们发现了疑似并期待已久的电磁波。

赫兹的实验发表后,在全世界科学界引起了轰动。由法拉第开创并由麦克斯韦总结的电磁理论取得了决定性的胜利。

一个世纪以来,麦克斯韦方程在理论和应用科学中得到了广泛应用。可以说,麦克斯韦方程组推开了现代文明的大门。

尽管麦克斯韦方程构成了电磁理论的基石,但它与牛顿的经典力学相矛盾。麦克斯韦电动力学的一个结果是光速在不同的惯性系中是恒定的,这与经典力学的伽利略变换相矛盾。

伽利略变换是经典力学中在两个仅以平均速度相对运动的参考系之间进行变换的一种方法,属于动力学变换的一种。伽利略变换构建了经典力学的时间空观。

伽利略变换认为,在同一参照系中,两个事件同时发生,而在其他惯性参照系中,两个事件也必须同时发生。时间间隔的度量是绝对的,长度的度量也是绝对的。经典力学定律的数学形式在任何惯性系中都保持不变,换句话说,所有惯性系都是等价的(相对性原理);伽利略变换构建了经典力学中绝对时间空的概念。时间和空都与参考系的运动状态无关,时间和空都是绝对的。

这种绝对的时间空概念与麦克斯韦的电动力学相冲突。如果我们应用伽利略变换来描述电磁现象的麦克斯韦方程组,我们会发现它的形式不是常数,即麦克斯韦方程组或电磁现象的定律在伽利略变换下不满足相对性原理。

我们可以从麦克斯韦方程组得到电磁波的波动方程,从波动方程得到true空中的光速是一个常数。根据经典力学的时间空观,这个结论应该只在特定的惯性参考系中成立,这个惯性参考系就是以太。

总之:电磁现象遵循的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换。

牛顿认为重力甚至电和磁都在以太中传播。受经典力学的影响,物理学家假设宇宙中到处都存在一种叫做以太的物质,他们普遍认为以太是传输电磁波和光的介质。在经典物理理论中,这种无处不在的“以太”被视为绝对惯性系,在其他参考系中测量的光速是以太中光速与观察者所在参考系相对于以太参考系的速度的矢量叠加。

两者之间的矛盾也诞生了另一位伟人,那就是爱因斯坦,他为了解决两者之间的矛盾提出了相对论。此时,物理学已经从经典物理体系转变为现代物理体系,电磁理论也逐渐发展为现代物理体系中的量子电动力学。

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