【文章回顾】麦克斯韦方程组的物理意义
来源:射频学堂发布时间:2022-01-213285浏览
询问 AI在之前的文章中，我们多次讲到了 Maxwell 方程组，有从纯数学角度的阐述，也有其产生背景的介绍。那么 今天我们再次介绍一下 Maxwell 方程组。
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根据前面的介绍，我们学习到，麦克斯韦方程组的出现，预言了电磁波的存在，也促使了一批批的科学家去探寻电磁波的奥秘，随着赫兹的电火花，开启了无线的大门。我们今天的无限世界由此诞生。
但是站在今天的角度看来，赫兹的电磁波实验，也仅仅是一个极近距离的收发实验，完全不足为奇，当时在当时的环境下，轰动了学术界。人们不得不停下来认真思考：电磁波到底是怎么传播的？
我们通过观察Maxwell方程组的前两项，通过旋度求解可以得到电磁波的波动方程。
波动方程：
我们今天一起来学习一下这两个方程所蕴含的哲学思想.
这恰恰对应了奥斯特和法拉第的实验发现，我们知道，奥斯特的小磁针偏转实验揭示了电流周围存在着磁场，即电产生磁。而法拉第在经历了无数次的失败之后，意外拔出了磁铁，发现了电流计指针的晃动，证实了运动的磁场产生电场。电流又何尝不是运动的电荷呢？所以可以归纳为：电流长生磁，动磁产生电场。这就为电磁波的出现提供了可能。但是电磁转化一定产生电磁波吗？答案是No。一个简单的电磁振荡回路就没有电磁波的产生。
为了便于理解，可以参照摆动问题中势能和动能的转化。如下图所示：
2，我们接着观察这两个方程，方程的左边是空间的运算——场的旋度。方程的右边都是时间的函数——导数。时间和空间的关系依然是等号。这就深刻解释了电磁场的时空转化，即电/磁场在空间的变化，会产生磁/电时间上的变化。反过来，电/磁在时间上的变化也会转化成磁/电场的空间变化。正是这种时空转化构成了波动的外在形式。通俗来说，就是在某时某地出现的事物，过了一段时间又在另一个地方出现了。如下图所示：
3，麦克斯韦方程还给出了电磁转换的一个重要条件，即角频率w0. 在单色波频域下，我们把麦克斯韦方程可以写成：
任何形式信号的高频分量包含角频率w0，才能确保电磁的有效转换，直流情况下，虽然直流的周围也有磁场，但没有磁场到电场的转化。也就是因为角频率w0的存在，才使得射频电路里面分布参数的存在，电路有可能会有辐射电磁波的存在。频率越高，电路的辐射现象就越明显。但是有意思的是，频率越高，功率越难输出。
4，我们接着观察方程组的右边，可以发现，第一个方程的右边有两项 E和J，而第二个方程的右边只有一项——jwuH，这就构成了麦克斯韦方程组的不对称性。尽管人们一直在寻找单磁极和磁流的存在，但到目前为止一直没有寻找到。
宇宙就是这么神秘，她以一种极其完美的形式展现给大家，而细微的残缺却又让人穷追不舍，孜孜不倦。
注释：文章内容参考于 梁昌洪老师的《简明微波》。
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