⻨克斯⻙对⻨克斯⻙⽅程组的贡献只有⼋分之⼀?

作者: Eugene Wang

来源: 万象经验

发布日期: 2023-05-03 12:17:53

本文讨论了⻨克斯⻙对⻨克斯⻙⽅程组的实际贡献,指出他不仅仅是添加了位移电流项,而是对电磁学理论做出了深刻洞察和创造性贡献。文章回顾了电磁学的发展历史,强调了⻨克斯⻙在统一和扩展前人工作中的重要性。

⻨克斯⻙⽅程组是经典电磁学的基础⽅程,它由四个⽅程组成,分别是⾼斯定律、⾼斯磁定律、法拉第感应定律和⻨克斯⻙-安培定律。这四个⽅程在数学形式上可以⽤微分形式或积分形式来表示,其中微分形式更为简洁和对称。

然⽽⻨克斯⻙并不是这四个⽅程的唯⼀发现者或贡献者。有⼈认为,⻨克斯⻙对⻨克斯⻙⽅程组的贡献只有⼋分之⼀,因为他只是在安培定律中加⼊了⼀个位移电流的项,⽽其他三个⽅程都是由前⼈发现和总结的。但这种说法是不正确的,因为它忽略了⻨克斯⻙对电磁学理论的深刻洞察和创造性贡献。

⾸先,我们要回到18世纪末19世纪初,那时⼈们对电磁现象的认识还很初步。1785年,法国物理学家库仑⽤扭秤实验发现了两个点电荷之间的相互作⽤⼒与距离平⽅成反⽐的规律。后来,德国数学家⾼斯在1813年将库仑定律推⼴到任意形状的电荷分布,并引⼊了电通量和闭合曲⾯的概念,得到了⾼斯定律。

1820年,法国物理学家毕奥和萨伐尔发现了通电导线产⽣的磁场与电流强度和距离成反⽐的规律。⾼斯也将毕奥-萨伐尔定律推⼴到任意形状的磁场分布,并引⼊了磁通量和闭合曲⾯的概念,得到了⾼斯磁定律。1821年,法国物理学家安培⽤数学⽅法总结了电流之间的相互作⽤⼒,提出了安培环路定律。1831年⾄1845年,英国物理学家法拉第发现了变化的磁场可以感应出闭合回路中的电流,并提出了“电⼒线”和“磁⼒线”的概念。

然⽽,这些实验定律都是描述静⽌或稳恒状态下的电磁现象,但对于变化状态下的电磁现象,还没有⼀个统⼀⽽完整的理论。这时,英国物理学家詹姆斯·克拉克·⻨克斯⻙登场了。他出⽣于1831年,在爱丁堡和剑桥接受教育,对数学和物理都有浓厚的兴趣。他在1855年发表了他的第⼀篇关于电磁学的论⽂《论法拉第⼒线》,在其中他借⽤流体⼒学的模型来解释法拉第提出的电⼒线和磁⼒线概念,并提出了位移电流的假设。

⻨克斯⻙⽅程组的第四个⽅程,也就是⻨克斯⻙-安培定律,是⻨克斯⻙对安培定律的修正和推⼴。安培定律描述了电流产⽣磁场的规律,但它只适⽤于稳恒电流的情况。当电流变化的时候,安培定律就不再成⽴了。为了解决这个问题,⻨克斯⻙引⼊了⼀个新的概念,叫做位移电流。

位移电流是指在变化电场中产⽣的等效电流,它与真实电流具有相同的磁效应,但不伴随着电荷的运动。位移电流的⼤⼩等于电位移⽮量随时间的变化率。⻨克斯⻙认为,位移电流也应该遵循安培定律,因此他在安培定律中加⼊了位移电流项,得到了⻨克斯⻙-安培定律。

⻨克斯⻙总结了前⼈的定律,⽤数学分析⽅法将它们统⼀起来。起初,它还是由20个等式和20个变量组成的复杂形式。后来,经过简化之后,变成了四个形式简单的⽅程。从⽅程组中⻨克斯⻙发现了⼀个惊⼈的结果:在真空中,电磁波以⼀定的速度传播,并且这个速度与光速相同。这个结果让⻨克斯⻙⼤为震惊,因为他意识到了光和电磁现象之间的深刻联系。他推测,光就是⼀种特殊频率的电磁波。

综上所述,我们可以看到,⻨克斯⻙对⻨克斯⻙⽅程组的贡献远不⽌⼋分之⼀。这样的说法是忽视了他在修正、总结和推⼴前⼈⼯作中所展现出的深刻洞察⼒和创造⼒。

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