Дополнительная тема. Уравнения Максвелла для стационарных электрического и магнитного полей

В случае стационарных (то есть неменяющихся во времени) электрического и магнитного полей, происхождение которых связано с покоящимися зарядами для электрического поля и со стационарными токами для магнитного поля, эти поля являются независимыми друг от друга, что позволяет рассматривать их отдельно друг от друга.

Уравнения Максвелла – это система уравнений, описывающих природу происхождения и свойства электрического и магнитного полей.

Уравнения Максвелла для стационарных полей:

I. ; II. ;

III. ; IV. .

Рассмотрим каждое уравнение в отдельности.

I. , то есть циркуляция вектора напряженности электростатического поля по произвольному замкнутому контуру L равна нулю.

Циркуляцией вектора напряженности электростатического поля по произвольному замкнутому контуру L называется интеграл

.

Для того, чтобы найти циркуляцию вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L, необходимо выбрать направление обхода контура, разбить этот контур L на элементы , для каждого элемента рассчитать величину (a – угол между векторами и ), а затем все эти величины сложить, что приводит к искомому интегралу.

Однако для электростатического поля циркуляция вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L может быть легко получена из формулы работы, совершаемой силами электростатического поля при перемещении пробного заряда q ₀по произвольному замкнутому контуру L.

С одной стороны, эта работа равна:

,

а с учетом того, что эта работа равна: .

С другой стороны, эта работа равна нулю, что следует из формулы работы:

, так как для замкнутого контура .

Тогда и циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L тоже равна нулю, то есть: .

Величина , где a – угол между векторами и может быть записана в виде скалярного произведения векторов и , то есть, как , а полученное соотношение для циркуляции вектора примет вид:

.

II. , то есть поток вектора смещения электростатического поля через произ­вольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов q (q – заряд, являющийся источником электростатического поля).

Вектор электрического смещения определяется следующим образом:

.

Вектор электрического смещения введен для характеристики электростатического поля, так как модуль вектора , в отличие от модуля вектора напряженности , не изменяется при переходе из одной диэлектрической среды в другую.

Используя то, что в вакууме , теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля может быть записана следующим образом:

,

то есть поток вектора смещения электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов.

III. , то есть циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов I, охватываемых этим контуром L (I – стационарный ток, являющийся источником постоянного магнитногополя).

Уравнение III для циркуляции вектора напряженности магнитного поляследует из теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции .

Циркуляцией вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру L называется интеграл: .

Для того, чтобы найти циркуляцию вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру L необходимо выбрать направление обхода контура, разбить этот контур L на элементы , для каждого элемента рассчитать величину (a – угол между векторами и ), а затем все эти величины сложить, что приводит к искомому интегралу.

Однако согласно теореме о циркуляцию вектора циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна произведению магнитной постоянной m ₀ на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром L:

, где

n – число проводников с токами, охватываемых контуром L. Положительным считается ток, направление которого образует с направлением обхода по контуру правовинтовую систему, а отрицательным – ток противоположного направления.

Величина , где a – угол между векторами и может быть записана в виде скалярного произведения векторов и , то есть, как , а полученное соотношение для циркуляции вектора примет вид:

.

Магнитное поле претерпевает изменения при переходе из одного вещества в другое, что определяется магнитными свойствами вещества, которые характеризуются величиной магнитной проницае­мости среды (m). Поэтому, кроме вектораиндукции магнитного поля, учитывающего магнитные свойства вещества, для описания магнитного поля введен также и вектор напряженности магнитного поля, причем для однород­ной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности :

,

где m ₀ – магнитная постоянная, m – магнитная проницае­мость среды.

Поскольку для вакуума m = 1, то с учетом приведенного соотношения может быть получена циркуляция вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L в следующем виде:

,

то есть циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром L.

IV. , то есть поток вектора индукции магнитного поля через произвольную замкнутую поверхность S равен нулю (теорема Гаусса).

Векторные характеристики электростатического поля и , используемые в уравнениях Максвелла, связаны между собой следующим соотношением:

,

где – электрическая постоянная, e – диэлектрическая проницаемость среды.

Векторные характеристики магнитного поля и , используемые в уравнениях Максвелла, связаны между собой следующим соотношением:

,

где – магнитная постоянная, – магнитная проницаемость среды.