为了弥补电磁场知识的缺陷,重新学习麦克斯韦方程组,麦克斯韦方程组原始方程据说有20个,经后人改造后变为现在各类教材常见的4个,有积分和微分两种表达式。
先学习高斯电场定律
积分形式:
随着对内容的理解,才知道大学时对这个定律的理解仅限于考试做题了,和现在自己的多数学生差不多,没有达到理解应用的程度。这个符号的意思是对一闭合曲面积分,闭合曲面是指从面的这个表面要跑到另一个表面需要穿过界面。向量表示电场强度,数值上等于单位电荷在空间该点所受的电场力大小,方向与正检验电荷在该点的方向相同。需要注意的是,空间任一点的电场强度是由空间所有电荷共同来决定的,一点的电场强度由所有电荷决定,有点集万千宠爱于一身的地步。这个黑点也来头不小,向量运算中很常见,表示点乘,具体的意思就是一个向量在另一个向量方向上的投影与另一向量的乘积。哪个向量准备投影,哪个向量充当躺平派可依个人爱好选择,结果都一样,但结果是个标量,有正有负。面元向量,方向指向与面积垂直的方向,碰到一个比较大的曲面,把曲面分割为一系列小面积的平面。这个小面积的平面就是所谓的面元。当然在计算电场的通量时,需要同时考虑电场强度和面积,都分解成小的衡量再进行累加。这里有个思维上的难点,电场强度为空间上某点的电场强度,与空间点对应,面元再小也是面,从几何角度来说,一堆点无论如何拼凑也无法拼出一个面来,因为点的面积是零,一堆零还是零。那这个积分如何积呢?我自己的理解,若电场强度在空间确实可以分割为一堆小块的恒定场,积分实际就变成了分面累加。若实际确实是每点都不一样,那就无法运用累加的方法来求通量,即使累加,也只能是一个近似值。若电场强度是关于空间位置的函数关系,这是这个积分表达式真正发挥作用的地方,就把物理问题转化为了一个数学上的二重积分问题。
等式右边的q解释一下。q是积分对应的闭合曲面内的净电荷量。若是应用这个式子,这个q感觉最不可思议,为什么呢?左边的电场对闭合曲面积分,电场是由空间所有电荷决定的,而右边的q却是闭合曲面内的净电荷。这个可以这样来理解一下,形象的理解一下通量,可以认为是钻进或穿出闭合曲面的电场线的净条数。这样一来,闭合曲面外的电荷发出或回收的电场线,对闭合曲面来讲,必然是从一个面穿进去,从另一个面钻出来,净条数就必然为零了。这也就是计算时不计闭合曲面外边电荷的原因。在高中阶段学习这个定律有什么用呢?可以换一个角度或算法来求解某些特殊电场的电场强度。应用这个定律时,对于特定的带电体,感觉闭合曲面的选取很有技术含量,是考验能力之处。q指的是半径为r的球体内所包含的电荷量,r<R时,q小于整个球体所带电荷量,平时碰到这类题,题目中还要添加一个球壳外的电荷对球壳内场强无贡献的说明,有了这个定律,这个说明就没必要了;r>R时,q指整个球体所带的电荷量。闭合曲面选为有两个表面和极板平行的立方体的表面。两侧电场线与两面平行,极板外无电场,极板里边是匀强场与运用高中知识推导结论一致,但快多了。而且可以直观的看出场强大小的决定因素是极板上的面电荷密度。学习了这个有什么用,也真没什么能解决现实问题的真用处,只是换了一种眼光看问题,换了一种计算电场强度的方式,类似于学过乘法与不学乘法有什么区别,可能感觉到的就是计算的速度快了,效率高了,不用死算了,花在运算上的时间少了。只要知道了库仑定律,理论上可以计算任意带电体在空间的电场强度,注意,那是理论上,和现实中的原则上什么什么有点类似,有时候就是不能算,电荷的分布情况不好弄。介绍一下这个定律的来由,不是麦克斯韦的首创,高斯电场定律,一看名字,说明是和数学王子高斯有联系的,类比水流的流量,结合库仑定律进行的数学操作,源于库仑定律,超于库仑定律。一直可以用到变化的电磁场。算是一种推广吧。有的书上写到:若库仑定律不是一个与距离平方成反比的定律,则电磁场的理论将改写,意思应该是:若库仑定律变了,高斯电场定律跟着也得变,整个理论框架就需要重新修改,体现了库仑定律的基础性。物理和数学一结合,发生“化学反应”的威力就会大到不可想象。这种结合,除了提高解决问题的效率之外,还会衍生出新的物理理论。
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