2. Równania
Maxwella
Począwszy od czasów Michaela Faradaya1, prawa elektryczności i magnetyzmu wyrażano za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, E i B. James Clark Maxwell2 sprowadził całą teorię do czterech równań określających odpowiednio dywergencję i rotację pól wektorowych E i B.
2.1. Równania Maxwella w postaci różniczkowej Makroskopowe pole elektromagnetyczne w ciągłych, nieruchomych ośrodkach można opisać za pomocą równań Maxwella w postaci różniczkowej (w układzie SI).
Tabela 2.1.
Postać makroskopowa
Postać mikroskopowa
(materia)
(próżnia)
∇ × H = j 0 + ∂D
∇ × B =
prawo Ampére’a z poprawką 0 j +
∂E
µ
µ0ε
∂ t
0 ∂ t
Maxwella
∇ × E = − ∂B
∇ × E = − ∂B
prawo Faradaya
∂t
∂t
∇ ⋅ D = ρ0
∇ ⋅ E = 1 ρ
prawo Gaussa
ε 0
∇ ⋅B = 0
∇ ⋅B = 0
bez nazwy
Równania Maxwella mówią nam jak ładunki wyznaczają pola. Wraz z wyrażeniem na siłę Lorentza które określa jak pola wpływają na ruch ładunków F = q(E + v × B) (2.1)
zawierają one całą klasyczną elektrodynamikę. Nawet równanie ciągłości,
∇ ⋅ j = − ∂ ρ , (2.2)
∂ t
które wyraża zasadę zachowania ładunku, można wyprowadzić z równań Maxwella działając na pierwsze z nich operacją dywergencji.
Podobnie jak każde równanie różniczkowe równania Maxwella muszą być uzupełnione odpowied-nimi warunkami brzegowymi.
1 Michael Faraday [majkel faradaj] (1791–1867), fizyk i chemik brytyjski, samouk. Najważniejsze jego odkrycia doty-czyły elektryczności. Odkrył prawa elektrolizy, zjawisko indukcji elektromagnetycznej, zasadę zachowania ładunku.
2 James Clark Maxwell [dżems klerk maksuel] (1831–79), brytyjski fizyk. Stworzył podstawy nowoczesnej elektrody-namiki i kinetycznej teorii gazów. W 1861 r. wprowadził pojęcie prądu przesunięcia i sformułował równania nazwane od jego nazwiska równaniami Maxwella podające zależności między polami elektrycznymi i magnetycznymi. W 1865
roku przewidział teoretycznie istnienie fal elektromagnetycznych (odkrytych w 1887 roku przez fizyka niemieckiego Heinricha Rudolfa Hertza).
2-1
2.2. Równania Maxwella w postaci całkowej W odniesieniu do skończonych obszarów wygodniej jest niekiedy korzystać z całkowej postaci równań Maxwella. Wypiszemy je w kolejności odpowiadającej równaniom różniczkowym: d
F
H ⋅ l =
j 0
D
+ ∂
s
HG
I
(2.3a)
∂ t KJ ⋅
z z
d
C
S
E⋅ l
B
d = − ∂ ⋅ s
z z
(2.3b)
∂ d
t
C
S
D⋅ s =
z d Q
(2.3c)
S
B ⋅ s =
z d 0
(2.3d)
S
Równania (2.3) wynikają z odpowiednich równań Maxwella stosując dla dwóch pierwszych twier-dzenia Stokesa (tw. dla rotacji), a dla pozostałych twierdzenie Gaussa (tw. dla dywergencji).
2-2