Рівняння Максвела в інтегральній та диференціальній формах. Рівняння Максвелла для електромагнітного поля
Тема 6. Основи теорії Максвелла для електромагнітного поля.
Відкриття струму зміщення дозволило Максвеллу створити єдину теорію електричних і магнітних явищ. Ця теорія пояснила всі відомі того часу експериментальні факти і передбачила ряд нових явищ, існування яких підтвердилось пізніше.
Рівняння Максвелла пов’язують зміни основних характеристик електромагнітного поля - векторів , , , в даному матеріальному середовищі з розподілом у ньому електричних зарядів і струмів.
Середовище в рівняннях Максвелла враховується феноменологічно, тобто без розкриття внутрішнього механізму взаємодії речовин з полем.
В основі теорії Максвелла лежать чотири рівняння.
І. Електричне поле може бути як потенціальним , так і вихровим . Тому напруженість сумарного поля . Оскільки циркуляція вектора вздовж довільного замкненого контура дорівнює нулю, то циркуляція вектора сумарного поля
.
Це рівняння зв’язує значення із зміною вектора з часом і є виразом закону електромагнітної індукції.
Перше рівняння Максвелла вказує на те, що джерелами електричного поля можуть бути не тільки електричні заряди, але і змінні з часом магнітні поля.
ІІ. Узагальнена теорема про циркуляцію вектора :
.
Це рівняння показує, що магнітні поля можуть збуджуватись або рухомими зарядами, або змінними електричними полями.
ІІІ. Теорема Остроградського-Гауса для потоку вектора електричного зміщення крізь довільну замкнену поверхню , що охоплює сумарний заряд :
.
Якщо заряд розподілений всередині замкненої поверхні з об’ємною густиною , то
.
IV. Теорема Остроградського-Гауса для магнітного потоку крізь довільну замкнену поверхню :
.
Отже, повна система рівнянь Максвелла в інтегральній формі має такий вигляд:
, ,
, .
Величини, що входять в рівняння Максвелла, не є незалежними і між ними є такий зв’язок:
, , .
Зазначимо, що до першого та четвертого рівняння Максвелла входять лише основні характеристики поля і , а в друге і третє – лише допоміжні величини і .
Рівняння Максвелла несиметричні відносно полів. Це зв’язано з тим, що в природі існують електричні заряди, а нема магнітних.
Для стаціонарних полів ( i ) рівняння Максвелла мають такий вигляд:
, ,
, .
В даному випадку електричні і магнітні поля існують незалежно одне від одного.
За допомогою рівняння Максвелла для електромагнітного поля можна знайти співвідношення між тангенціальними і
нормальними складовими векторів , і , на межі поділу двох різнорідних діелектриків. Якщо на межі поділу відсутні вільні заряди і струми провідності, то для тангенціальних складових – проекцій векторів , , , на дотичну площину – мають місце такі співвідношення:
, ,
, ,
а для нормальних складових – проекцій векторів , , , , на спільну нормаль до межі поділу двох середовищ:
, ,
, ,
де , , , - відносні діелектричні і магнітні проникності відповідно першого і другого середовищ.