Was sind die Maxwell Gleichungen?

Wie formuliert ein schottischer Physiker die Gleichungen, die uns zeigte, wie man die Welt elektrisieren

Maxwell Gleichungen erschien zuerst in "Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes" Philosophical Transactions der Royal Society of London, im Jahre 1865. Dies sind die Gleichungen des Lichts, die mathematischen Beziehungen, die uns zeigte, wie man unsere Welt elektrisieren und Energie und Informationen durch die Luft übertragen.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beleuchtet wir unsere Wohnungen und Büros mit Kerzen und Öllampen. Kommunikation erfolgte in Form von handschriftlichen Briefen, die quer durch das Land und mehrere Wochen über Ozeane Reisen Tage dauerte. Heute nutzen wir Strom an die macht alles und Radiowellen, sofort zueinander, überall auf der Welt zu sprechen.

Die Samen dieser enorme Veränderungen wurden in den 1830er Jahren gepflanzt, als der britische Physiker Michael Faraday Elektromotoren gebaut und zeigte, dass zwei Naturgewalten, Elektrizität und Magnetismus, verwandt waren. Er schlug vor, dass diese Kräfte gab es als "Felder", der Raum durchdrungen. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts formulierte der schottische Physiker James Clerk Maxwell Gleichungen, die diese Felder beschrieben.

Maxwell modelliert die Felder, als wären sie unsichtbar Flüssigkeiten, der Raum gefüllt. An jedem Punkt im Raum hat das elektrische Feld eine Richtung und eine Stärke, die gemessen werden kann, wenn man etwas gibt, die die Auswirkungen des Feldes – ein Elektron fühlen kann sagen. Wenn Sie das Feld an jedem Punkt im Raum irgendwie messen könnten, würden Sie wissen, wie es floss und verändert.

Die beiden Gleichungen auf der linken Seite im Bild zeigen, dass der Netto-Flow von elektrischen (E) und (H) Magnetfeld aus einem geschlossenen Volumen des Raumes, von elektrischen Ladungen oder magnetische Materialien, gleich Null ist. Das Dreieck und Dot Symbol vor die Feldsymbole (genannt "Divergenzoperator") ist eine mathematische Methode zum Messen, wenn ein Feld als eine Quelle oder Senke an einem bestimmten Punkt im Raum verhält.

Die Gleichung für das Magnetfeld (H) gleich bleibt, auch wenn es ein Magnet – denken Sie an eine Bar Magnet, die magnetischen Feldlinien um ihn herum beginnen am Nordpol und Kreis zurecht zum Südpol. Und diese Feldlinien immer stoppen und starten auf einen magnetischen Gegenstand, sie nicht erscheinen oder verschwinden in einem leeren Raum.

Die Gleichung für das elektrische Feld (E) ist etwas anders, aber wenn es elektrische Ladungen um gibt. Eine positive Ladung ist ein net-Quellcode von elektrischen Feldern und eine negative Ladung befindet sich ein Waschbecken. In diesem Fall ist der Nettobetrag des Feldes kommen aus oder in einem Volumen proportional zu der darin enthaltenen kostenlos.

Die beiden Gleichungen auf der rechten Seite erklären, was passiert, wenn Sie einen elektrischen oder magnetischen Feld verschieben. Der "Curl" Betreiber (das Dreieck und X-Symbol in Kombination) auf der linken Seite jeder Gleichung ist eine Möglichkeit, ein Feld bewegt sich in einem kleinen Kreis zu messen. Einem sich ändernden elektrischen Feld (E) erzeugt ein Magnetfeld (H). Und umgekehrt. Die lockige d/Dts auf der rechten Seite messen eine Veränderungsrate, eine kleine Änderung in einem Feld (E oder H) geteilt durch eine kleine Änderung in der Zeit (t).

Diese Gleichungen sind die Basis der elektromagnetischen Induktion, die Idee, dass wenn Sie ein Magnet in der Nähe eines elektrischen Leiters (oder umgekehrt) bewegen, Strom zu erzeugen. Die Elektrizität, die Sie täglich nutzen erfolgt über Generatoren, die nach diesen Formeln funktionieren folgendermaßen.

Welche lässt uns mit dem Buchstaben "c" auf der rechten Seite der zweiten zwei Gleichungen. Dies ist eine konstante mit einem Wert von etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde, was gerade geschieht, die Geschwindigkeit des Lichts zu sein.

Beachten Sie Maxwell setzte dies dort nicht weil er Licht studierte; die Anzahl herausgesprungen nur, unerwartet, von der Mathematik der Materialien, die er studierte.

Maxwell durch die Untersuchung der Eigenschaften von Elektrizität und Magnetismus begonnen hatte und eine viel tiefere Wahrheit über sie gestolpert: das elektromagnetische Feld war ein Medium für Wellen, die wie Wellen auf der Oberfläche von einem Teich mit einer Geschwindigkeit "c" gereist. Und das Licht sehen wir gehört zu den elektromagnetischen Wellen.

Das bedeutete, dass es andere elektromagnetische Wellen geben sollte. Die Wellenlängen, die wir mit unseren Augen erkennen kann erscheinen uns als Farben. Kürzere Wellenlängen des Lichts sind UV- und Gamma-Strahlen.

Längere Wellenlängen sind Wärme (Infrarot-Wellen), Mikrowellen und Radiowellen. Letztere sind natürlich die Kommunikationsmethode des 20. Jahrhunderts – alles von Radios, Fernsehern, Radar, Handys basieren auf unseren Manipulation des elektromagnetischen Feldes, wie durch die Maxwell Gleichungen beschrieben.