古典電磁學:馬克士威方程組
連續方程式(continuity equation)
電荷從不被創造、也從不被消滅,而且——更強地說——它甚至從不被瞬間傳送:若某區域內的電荷改變了,那就必然有恰好那麼多的電荷流過該區域的邊界。連續方程式就是這條「局域電荷守恆」的數學陳述。
微分形式為 d rho/dt + div J = 0,其中 rho 是電荷密度、J 是電流密度。把它讀成一小塊體積的收支帳:電荷密度下降的速率(負的 d rho/dt)等於淨流出的電流(div J)。對一個有限體積積分,它變成 dQ/dt = 負的 J 穿過邊界曲面的通量——所包圍的電荷減少的速率,恰好等於電荷穿牆流出的速率。「局域」二字正是重點:電荷不只是在整體上保持不變,它是連續地從一處移到另一處,絕不會在這裡消失、又在那裡重現。
在電磁學裡,連續方程式並非獨立的公設;它是被馬克士威方程組所強制的。對安培-馬克士威定律取散度,再用高斯定律,你就自動得回 d rho/dt + div J = 0——事實上,這正是馬克士威的位移電流被發明來保證的那份自洽。在相對論記法下,它坍縮成單一行 d_mu J^mu = 0,即四維電流的四維散度為零。
一個小球裝著電荷 Q,正以 3 安培的速率經一條導線漏走。連續方程式說 dQ/dt = -3 C/s:球內電荷下降的速率,恰好等於電流把它帶出曲面的速率。Q 不可能在沒有相應邊界電流的情況下減少。
d rho/dt + div J = 0:一個區域失去的電荷,等於流出其邊界的電荷。
連續方程式表達的是「局域」守恆,這比單純的「總電荷不變」更強——它禁止電荷在某一點消失、又在另一點重現。在電磁學裡它是一條定理,而非公理:它由對安培-馬克士威定律取散度而得。
又稱
另見