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細讀四條定律:通量、環流、散度、旋度

學會在你用來計算的積分形式,與真正的局域定律——微分形式——之間自如切換,並掌握場在邊界兩側必須如何銜接。

兩種語言,同一內容

馬克士威方程組有兩套裝扮。積分形式談穿過某曲面的通量、繞某迴路的環流——是靠對稱性求值的全域陳述。微分形式談單獨一點——是局域定律,即使在沒有對稱性可用的地方也成立。連接兩者的橋樑,是向量微積分的兩條定理。

\oint_{S}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{A} = \int_{V}(\nabla\cdot\mathbf{F})\,dV \qquad\text{and}\qquad \oint_{C}\mathbf{F}\cdot d\boldsymbol{\ell} = \int_{S}(\nabla\times\mathbf{F})\cdot d\mathbf{A}

散度(高斯)定理與旋度(斯托克斯)定理——把曲面/迴路的陳述轉成逐點陳述的機器。

高斯定律:電荷是 E 的源

逐條走過方程式時,把這張圖當作對照參考。

穿過任何封閉曲面的 電通量,等於其中所包電荷除以 \varepsilon_0。用散度定理,這句話就變成局域的:某點 \mathbf{E} 的散度,就是該點的電荷密度。點電荷的平方反比律其實正是從這裡來的——它是唯一具有正確通量的球對稱場。

\oint_{S}\mathbf{E}\cdot d\mathbf{A} = \dfrac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0} \quad\Longleftrightarrow\quad \nabla\cdot\mathbf{E} = \dfrac{\rho}{\varepsilon_0}

高斯定律:左為積分形式(通量),右為微分形式(散度)——是同一條定律。

沒有磁單極

穿過任何「封閉」曲面的 磁通量恰好為零:進去多少力線就得出來多少。局域地說,\mathbf{B} 在任何地方都沒有散度。這就是 磁場的高斯定律,也是「沒有孤立磁荷」——沒有不帶南極的北極——這句話的數學說法。每一條磁力線都是閉合迴路。

\oint_{S}\mathbf{B}\cdot d\mathbf{A} = 0 \quad\Longleftrightarrow\quad \nabla\cdot\mathbf{B} = 0

沒有淨磁通量穿出任何封閉曲面——迄今從未觀測到磁單極。

法拉第與安培—馬克士威:動力學二重奏

兩條旋度方程式,是場活起來的地方。法拉第定律:變化的磁通量驅動一圈環流的電場——這是每一台發電機背後的原理。加了馬克士威修正的 安培定律:電流「以及」變化的電通量,驅動一圈環流的磁場。每個場一旦變化,就伸出手創造出另一個場的迴路——正是這個機制讓它們手牽手飛出去成為一道波。

\begin{aligned} \oint_{C}\mathbf{E}\cdot d\boldsymbol{\ell} &= -\dfrac{d\Phi_B}{dt} & &\Longleftrightarrow & \nabla\times\mathbf{E} &= -\dfrac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}, \\[4pt] \oint_{C}\mathbf{B}\cdot d\boldsymbol{\ell} &= \mu_0 I_{\text{enc}} + \mu_0\varepsilon_0\dfrac{d\Phi_E}{dt} & &\Longleftrightarrow & \nabla\times\mathbf{B} &= \mu_0\mathbf{J} + \mu_0\varepsilon_0\dfrac{\partial\mathbf{E}}{\partial t} \end{aligned}

法拉第定律與安培—馬克士威定律的積分與微分形式。右下角最後一項就是位移電流。

跨越邊界的銜接

真實問題都有交界面——導體表面、透鏡的一面。就在界面處場可以跳變,但不能隨意跳:把四條方程式套用到一個跨越界面的扁盒與窄迴路上,就精確地釘死了跳法。\mathbf{E} 的平行分量與 \mathbf{B} 的垂直分量平滑通過;\mathbf{E} 的垂直分量因任何面電荷而跳變,\mathbf{B} 的平行分量因任何面電流而跳變。

\begin{aligned} E^{\parallel}_{\text{above}} &= E^{\parallel}_{\text{below}}, & B^{\perp}_{\text{above}} &= B^{\perp}_{\text{below}}, \\[4pt] E^{\perp}_{\text{above}} - E^{\perp}_{\text{below}} &= \dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}, & B^{\parallel}_{\text{above}} - B^{\parallel}_{\text{below}} &= \mu_0\,K \end{aligned}

由馬克士威方程組導出的邊界條件:σ 是面電荷密度,K 是面電流密度。