麦克斯韦方程组详解|全面解析最美物理公式「问人人知识网」

麦克斯韦方程组详解（全面解析最美物理公式）
很早以前，人们就发现了电荷之间和磁体之间都有作用力，但是最初人们并未把这两种作用联系起来。后来，人们发现有些被闪电劈中的石头会具有磁性，于是猜测出电与磁之间可能存在某种关系。直到奥斯特、法拉第等人的努力，人们终于认识到电与磁的关系密不可分，人们利用磁铁制造发电机，也利用电流制造电磁铁。
但是，电与磁之间最深刻的物理关系是由麦克斯韦搞揭示的，麦克斯韦通过四个方程组成的方程组阐释了电与磁——这一对宇宙间最深刻的作用力之间的联系，并将电场和磁场统一了起来。麦克斯韦方程组从诞生起就一直被人们认为是世界上最美的物理公式。

这篇文章将带领大家了解一下麦克斯韦方程组的发现过程和具体含义，在这个过程中需要介绍一些数学基础。虽然对于大部分人来说，理解这个过程是十分辛苦的，但是当你真正理解麦克斯韦方程组时，你会和我一样惊叹于它的和谐和美丽。
场和场线1758年，法国物理学家库伦最早研究了电荷之间的作用力，并提出了库伦定律：两个电荷之间的作用力与电荷量的乘积成正比，与二者之间的距离平方成反比。

从那以后，科学家们就一直在争论电荷之间作用力的方式：有些人认为电荷之间的作用力不需要时间和空间，一个电荷一瞬间就会对另一个电荷产生作用力，这就是所谓的“超距作用” 。
随着科学的发展，百思特网超距作用的观点越来越被人们怀疑。终于，英国科学家法拉第提出了“电场”的概念。

法拉第认为：在电荷周围存在着一种物质，这种物质看不见也摸不着，但是它是存在的，它可以在空间中传递。当电场传递到另一个电荷处时，就会对另一个电荷产生力的作用。反过来，第二个电荷也会产生电场，从而对第一个电荷产生反作用力。也就是说：电荷之间的作用是通过电场传递的。

1851年，法拉第还创造性的提出了一种描述电场的方法：用一组带箭头的曲线表示电场，曲线的切线方向表示电场的方向，曲线的疏密描述电场的强弱。比如，一个单独的正电荷和一正一负两个电荷在空间中形成的电场如下：

这种描述场的方法称为“场线”，场线可以用来描述电场，也可以用来描述磁场。人们可以通过各种方法来模拟场线，例如：法拉第利用磁铁周围的铁屑模拟了磁感线的情况。

场和场线的提出为后来人们研究许多问题提供了方便。
电生磁、磁生电第一个发现电与磁关系的人是丹麦物理学家奥斯特。
1820年，奥斯特在一次给学生上课的时候，偶然间把一个通电直导线放在了小磁针上方，他惊奇的发现：小磁针居然偏转了！在场的学生并没有发现这个现象的惊人之处，只有奥斯特为这个发现倍感兴奋。

经过仔细的研究，奥斯特提出了电流对小磁针的作用方式。在我们今天的观点看来，奥斯特其实阐明了通电导线的周围存在着以导线为圆心的环形磁场。后来，科学家安培指明了磁场的方向判断方法：右手螺旋定则。

在奥斯特发现电流可以产生磁场的消息传遍世界时，英国的法拉第刚满30岁，他当百思特网时还在化学家戴维的手下干活。许多人怀疑戴维处于嫉妒使用各种方法压制法拉第，例如强迫法拉第进行光学研究。直到1829年戴维去世后，法拉第才开始着手研究自己感兴趣的电磁学问题。
法拉第认为：既然电流可以产生磁场，那么磁铁也应该可以产生电流。为此，法拉第进行了一系列的物理实验，终于在1831年发现了电磁感应现象。

在一个铁环的两侧绕上两条不同的导线，第一个导线上通过电流时，另一侧的导线上也产生了电流。法拉第解释说：这是因为第一个电路的电流发生了变化，所产生的磁场也发生了变化，而变化的磁场可以产生电流。