麦克斯韦方程组:微观世界的电子控制之秘——磁场与电场共同主导半导体至CPU的旅程
电荷,作为电场的源泉,其存在产生了电场。这一电场的特点是,电荷越近,受到的电场力越大,形成了近强远弱的规律。
线条的密集程度揭示了磁场的强度,磁场是由磁体所产生。
电生磁的奇迹,被丹麦科学家奥斯特首次揭示。
而磁生电的奥秘,则由英国科学家法拉第揭开面纱。
运动的磁场变化会产生电流,这是涡流现象的电学解释。
在微观世界中,我们通过磁场或电场来控制电子的运动,进而影响半导体、三极管、场效应管,最终抵达大规模集成电路,构建出强大的CPU。
面S与法线
电场(E)的探究
通量:这是垂直穿过某一特定面的电场分量的计算。简单来说,就是计算穿过这个面的电场线的数量。
在这个面上进行积分运算,可以得出电场的强度。
对于均匀强度的磁场,我们使用通量公式进行计算;而对于非均匀磁场,则采用积分形式进行计算。
分析电场E时,我们需要将其分为沿某路径和垂直于该路径的两个分量。
无论磁场是否均匀,其通量计算方式各有不同。对于封闭的电荷区域,包裹的电荷量越多,产生的电场越强,相应的电通量也越大。
在封闭曲面上计算电场的通量,即穿过该面的电场线数量。这正如下图所示.
总电荷数与真空介电常数的关系
电场有起源点,这起源点就是电荷。电场是一个有源场.
相对地,磁场是一个闭合的场,每条磁感应线都是闭合循环。
每一个面的磁场穿入与穿出相抵消,导致磁通量为零.(磁场是一个无源场),这为我们提供了第二个关键公式。
任意闭合曲面的磁通量始终为零。
那么,为什么磁场能产生电流呢?
当磁场发生变化时,就会产生电场。这是磁体与电场之间的互动。
电流是电荷运动的产物,而电荷之所以运动是因为有电场的存在。
计算电场的路径积分(这实际上就是电动势)。
电场与某一周长的乘积即为此路径积分,它取决于磁场的变化率.
求出此面的磁通量,然后对时间进行求导数,即求其时间变化率。
时间变化率等于此圈的电场路径积分。
此公式告诉我们,当磁通量发生变化时,将引发感应电动势和感应电流.
那么,电场的变化是否会引发磁场呢?
想象一下电流沿着一个闭合路径的积分,比如B环绕环状物转了一圈。
结合前面的公式1和公式2,真空具有哪些特性?(在真空中没有电荷且没有电流)电场和磁场都是无源的。
第三个公式揭示, 电场的起源完全由于磁通量的变化.
第四个公式表明,磁场的产生无关于电流,完全是因为电场的变化,即 电场激发磁场.
由此可见,电场与磁场间存在着相互激发的关系。
涉及二阶导数的微分式,这是一个较为复杂的数学表达式。