電磁場的動力學理論

電磁場的動力學理論》(英語:A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field)是一篇詹姆斯·麥克斯韋發於1864年的論文,這篇論文是他所寫的第三篇關於電磁學的論文[1]。在這篇論文裏,他首次系統性地陳列出麥克斯韋方程組。麥克斯韋又應用了先前在他的1861年論文《論物理力線》裏提出的位移電流的概念,來推導出電磁波方程式[2]。由於這導引將電學磁學光學聯結成一個統一理論。這創舉現在已被物理學術界公認為物理學史的重大里程碑。

這篇論文明確地闡明,能量儲存於電磁場內。因此,它在歷史上首先建立了場論的基礎概念。[3]

麥克斯韋原本的方程式

在這篇論文的標題為電磁場一般方程式的第三章裏,麥克斯韋列出了涉及二十個未知量的二十個方程式,在那時期,稱為麥克斯韋方程組。由於向量微積分尚在發展中,這二十個方程式都是以分量形式表示,其中,有十八個方程式可以用六個向量方程式集中表示(對應於每一個直角坐標,有一個方程式),另外剩下的兩個是純量方程式。所以,以向量標記,麥克斯韋方程組可以表示為八個方程式。1884年,從這八個方程式,奧利弗·黑維塞重新編排出四個方程式,並且稱這一組方程式為麥克斯韋方程組。今天廣泛使用的麥克斯韋方程組就是黑維塞編成的這一組方程式。

黑維塞版本的麥克斯韋方程組是以現代向量標記法寫出。在原先版本的八個方程式裏,只有一個方程式,高斯定律的方程式(G),完整不變地出現於黑維塞版本。另外一個在黑維塞版本的方程式,乃是由總電流定律的方程式(A)與安培環路定理的方程式(C)共同湊合而成。這方程式包含了麥克斯韋的位移電流,是安培環路定理的延伸。

以向量標記,麥克斯韋方程組的原先版本的八個方程式,分別寫為

(A) 總電流定律
 
(B) 磁場方程式
 
(C) 安培環路定理
 
(D) 勞侖茲力方程式
 
(E) 電彈性方程式
 
(F) 歐姆定律
 
(G) 高斯定律
 
(H) 連續方程式
 
標記符號:
 磁場強度
 傳導電流密度
  是總電流密度(包括位移電流密度),
 電位移
 自由電荷密度,
 磁向量勢
 電場
 電勢
 磁導率
 電容率
 電導率

關於介質的性質,麥克斯韋並沒有試着處理比較複雜的狀況。他表述的主要是線性、均向性、非色散性物質;他也稍微談到一些有關異向性的晶體物質的問題。

值得注意的是,麥克斯韋將   項目包括於他的合勢方程式(D)。這項目表達一個以速度   移動的導體所感受到的單位電荷的磁場力而產生的動生電動勢。這意味着合勢方程式(D)表達了勞侖茲力。這方程式最先出現為論文《論物理力線》的方程式(77),比勞侖茲想到這問題早了很多年。現在,勞侖茲力方程式列為麥克斯韋方程組之外的額外方程式,並沒有被包括在麥克斯韋方程組裏面。

光波是電磁波

 
麥克斯韋,電磁學之父

在論文《電磁場的動力學理論》裏,麥克斯韋應用了的1861年論文《論物理力線》第三節裏對於安培環路定理的修正,將位移電流與其它已成立的電磁方程式合併,因而得到了描述電磁波的波動方程式。最令人振奮的是,這方程式所描述的波動的波速等於光波的速度。他於是說[4]

這些殊途一致的結果,似乎意味着光波與電磁波都是同樣物質的屬性,光波是按照着電磁定律傳播於電磁場的電磁擾動。
— 詹姆斯·麥克斯韋

麥克斯韋在對於光波是一種電磁現象的推導裏,並沒有使用法拉第電磁感應定律,而是使用方程式(D)來解釋電磁感應作用。由於不考慮導體的運動,項目   可以被刪除。事實上,他的八個方程式裏,並沒有包括法拉第電磁感應定律方程式在內。

由於麥克斯韋的推導比較冗長,現代的教科書已不再採用這推導,改而選擇另一種比較簡易了解的推導,這推導主要是使用麥克斯韋-安培定律(安培環路定理的延伸)與法拉第電磁感應定律。

麥克斯韋的推導

假設電磁波是一個平面波,以波速   向正z-軸的方向傳播於某介質,則描述此電磁波的每一個函數都擁有參數   。根據磁向量定義式(B),

 

其中, 磁感應強度的定義式。

注意到   , 還有,  垂直於平面波的傳播方向,這電磁波是個橫波

根據安培環路定理(C),

 

假設介質是個絕緣體,傳導電流密度   等於零,則根據總電流定律(A)和電彈性方程式(E),

 

假設導體的速度等於零,即動生電動勢項目等於零,則根據合勢方程式(D),

 
 

再應用磁向量定義式(B),就可以得到磁場的波動方程式:

 
 

鏈式法則要求

 
 

所以,

 
 

傳播的速度為

 

設定磁導率為磁常數   ,電容率為電常數   ,則傳播速度是電磁波傳播於自由空間的速度。

類似地,應用合勢方程式(D),可以得到電場的波動方程式:

 
 
 

注意到,  可能不等於零。在尚未更清楚了解電荷密度的性質之前,麥克斯韋不排除電場波為縱波的可能性。

現代推導

自由空間裏,黑維塞版的麥克斯韋方程組的四個微分方程式為

 (1)
 (2)
 (3)
 (4)

其中, 磁常數 電常數

分別取公式 (2) 、(4) 的旋度

 
 

應用一則向量恆等式

 

其中,  是任意向量函數。

將公式 (1) 、(3) 代入,即可得到波動方程式:

 (5)
 (6)

其中,  [公尺/秒]是電磁波傳播於自由空間的速度。

參閱

參考文獻

  1. ^ 麥克斯韋, 詹姆斯, A dynamical theory of the electromagnetic field (pdf), Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1865, 155: 459–512 [2010-07-15], (原始內容存檔 (PDF)於2011-07-28) 
  2. ^ 麥克斯韋, 詹姆斯, On physical lines of force (PDF), Philosophical Magazine, 1861 [2010-07-15], (原始內容 (pdf)存檔於2009-06-12) 
  3. ^ Yang, ChenNing. The conceptual origins of Maxwell's equations and gauge theory. Physics Today. 2014, 67 (11): 45–51. doi:10.1063/PT.3.2585. 
  4. ^ 麥克斯韋, 詹姆斯, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field: pp. 499, 1864 

  • Maxwell, James C.; Torrance, Thomas F., A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Eugene, OR: Wipf and Stock, March 1996, ISBN 1-57910-015-5 
  • Niven, W. D., The Scientific Papers of James Clerk Maxwell Vol. 1, New York: Dover, 1952