background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Wykład 25 

25. Równania Maxwella 

25.1  Podstawowe równania elektromagnetyzmu 

Poszukiwaliśmy zawsze podstawowego (najmniejszego) zestawu równań pozwala-

jącego na pełne opisanie przedmiotu zainteresowań. 
W mechanice - trzy zasady dynamiki 
W termodynamice - trzy zasady termodynamiki 
Teraz chcemy zrobić to samo dla elektromagnetyzmu. 
Zacznijmy od poznanych już równań. 
 

 Nazwa 

Równanie 


 

 

 

prawo Gaussa dla elektryczności 
 
prawo Gaussa dla magnetyzmu 
 
prawo indukcji Faradaya 
 
prawo Ampera 

=

0

/

d

ε

q

S

E

 

= 0

dS

B

 

=

=

t

B

d

d

d

φ

ε

l

E

 

=

I

0

d

µ

l

Br

 

 

Te równania jak się okaże są niekompletne Konieczne jest wprowadzenie jeszcze jed-
nego dodatkowego wyrazu do równania 4. 
Pozwala on w szczególności na udowodnienie, że prędkość  światła w próżni c, jest 
związana z czysto elektrycznymi i magnetycznymi wielkościami. 
 
Prześledźmy powyższą tabelę z punktu widzenia symetrii
Zwróćmy uwagę, że w tych rozważaniach stałe 

µ

0

 i 

ε

0

 nie są istotne bo możemy wybrać 

układ jednostek, w którym będą te stałe równe 1. Wtedy zauważamy pełną symetrię le-
wych stron równań. Prawe strony NIE są symetryczne. 
Przyczynę niesymetrii dla równań 1 i 2 znamy. Wiemy, że 

istnieją izolowane centra 

ładunku

 (np. elektron, proton) ale 

nie istnieją izolowane centra magnetyczne

 (pojedyn-

cze bieguny magnetyczne - monopole). Dlatego w równaniu 1 pojawia się q, a w 2 zero. 
Z tego powodu mamy w równaniu 4 prąd I = dq/dt, a nie mamy prądu monopoli (ładun-

m – d

φ

B

/dt w równaniu 3. Sens tego prawa 

wrotna: 

ków magnetycznych) w równaniu 3. 
Drugi rodzaj asymetrii wiąże się z wyraze
jest następujący: 

zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne

Korzystając z zasad symetrii można przypuszczać, że obowiązuje zależność od
zmieniając pole elektryczne (d

φ

E

/dt) wytwarzamy pole magnetyczne 

)

d

(

l

B

25.2  Indukowane pole magnetyczne 

Oczywiście doświadczenie daje przykłady: w kondensatorze (cylindrycznym) pole 

elektryczne wzrasta (kondensator ładuje się) z prędkością dE/dt co oznacza, że do okła-
dek dopływa ładunek. 

 

25-1 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Doświadczenie pokazuje, że 

powstaje tam pole magnetyczne wytworzone przez zmienia-

jące się pole elektryczne

 

   x x x 
 
  x x x x x x x 
 
  x x x x x x x 
 
  x x x x x x x 
 
    x x x x 

 

Trzeba to uwzględnić w naszych równaniach. Jeszcze raz rozpatrzmy cylindryczny kon-
densator i obliczmy z prawa Ampera pole magnetyczne w punkcie P (rysunek poniżej). 


 

S' 
 


 


 


 


 


 

 

 
Wybieramy kontur obejmujący płaską powierzchnię S, która zawiera prąd I oraz prze-
chodzi przez punkt P (w odległości r) (

). Z prawa Ampera otrzymujemy 

=

S

I

S

jd

 

=

S

kontur

I

0

d

µ

l

B

 

Stąd 

B2

πr

0

I 

Czyli 
 

r

I

B

π

µ

2

0

=

 

 
Prawo Ampera obowiązuje dla dowolnego konturu. Wybieramy więc kontur kołowy na 
którym rozpięta jest zakrzywiona powierzchnia S

'

. Żaden prąd nie przechodzi przez tę 

powierzchnię więc tym razem kontur nie obejmuje prądu i mamy 

= 0

dl

B

co jest 

sprzeczne z poprzednim wynikiem. Wynika to z nieciągłości prądu, który nie płynie 
pomiędzy okładkami kondensatora. Żeby usunąć tę niespójność Maxwell zaproponował 
dodanie nowego członu do prawa Ampera. 
Przez analogię do prawa indukcji Faradaya możemy napisać 

 

25-2 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

 

=

t

E

d

d

d

0

0

φ

ε

µ

l

B

 (25.1) 

 
Tak więc prawo Ampera po modyfikacji ma postać 
 

 

+

=

I

t

E

0

0

0

d

d

d

µ

φ

ε

µ

l

B

 (25.2) 

 
Tak więc 

pole magnetyczne jest wytwarzane przez przepływ prądu ale też przez zmie-

niające się pole elektryczne.

 

Sprawdźmy czy stosując tę modyfikację uzyskamy teraz poprawny wynik na pole B w 
punkcie  P (przykład powyżej). W części powierzchni krzywoliniowej S' pomiędzy 
okładkami kondensatora z prawa Gaussa wynika, że 
 

φ

E

 = ES

C

 = q/

ε

0

 

 
gdzie S

C

 jest powierzchnią okładek kondensatora. Różniczkując po dt mamy 

 

0

0

d

d

1

d

d

ε

ε

φ

I

t

q

t

E

=

=

 

Przypomnijmy, że 

=

I

0

d

µ

l

B

 

Podstawiając za I otrzymujemy 

=

t

E

d

d

d

0

0

φ

ε

µ

l

B

 

 
czyli dodany wyraz do prawa Ampera. 

25.3 Prąd przesunięcia 

Z poprzedniego równania widać, że wyraz 

ε

0

d

φ

E

/dt ma wymiar prądu. Mimo, że 

nie mamy tu do czynienia z ruchem ładunków, to wyraz ten nazywamy 

prądem przesu-

nięcia

. Mówimy, że pole B może być wytworzone przez prąd przewodzenia I lub przez 

prąd przesunięcia I

P

 
 

+

=

)

(

d

0

I

I

P

µ

l

B

 (25.3) 

 
Koncepcja prądu przesunięcia pozwala na zachowanie 

ciągłości prądu

 w przestrzeni 

gdzie nie jest przenoszony ładunek (np. między okładkami kondensatora). 

Przykład 1 

Obliczyć indukowane pole magnetyczne w ładowanym kondensatorze cylindrycznym 
w odległości r od osi (rysunek na stronie 2). 
Z równania 
 

 

25-3 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

=

t

E

d

d

d

0

0

φ

ε

µ

l

B

 

otrzymujemy 
 

t

E

r

t

r

E

r

B

d

d

d

)

(

d

2

2

0

0

2

0

0

π

ε

µ

π

ε

µ

π

=

=

 

Stąd 
 

R

r

t

E

r

B

<

=

dla

,

d

d

2

1

0

0

ε

µ

 

 
dla r = R = 5cm oraz dE/dt = 10

12

 V/ms otrzymujemy B = 0.0028 Gs czyli o dwa rzędy 

mniej niż pole ziemskie. 
Natomiast prąd przesunięcia  
 

t

E

R

t

I

E

P

d

d

d

d

2

0

0

π

ε

φ

ε

=

=

 

 
ma całkiem sporą wartość I

P

 = 70 mA. Powodem, że B jest tak małe jest to, że ten prąd 

(umowny) jest rozłożony na bardzo dużej powierzchni okładki kondensatora podczas 
gdy prąd przewodzenia jest "skupiony" w przewodniku. 

25.4 Równania Maxwella 
 

 

Prawo Równanie 

Czego 

dotyczy Doświadczenie 

Gaussa dla 

elektryczności 

=

0

/

d

ε

q

S

E

 

ładunek i pole 

elektryczne 

Przyciąganie, odpychanie 

ładunków (1/r

2

). 

Ładunki gromadzą się na 

powierzchni metalu 

Gaussa dla 

magnetyzmu 

= 0

dS

B

 

pole magnetyczne  nie stwierdzono istnienia 

monopola magnetycznego 

indukcji Fara-

daya 

=

t

B

d

d

d

φ

l

E

 

efekt elektryczny 

zmieniającego się 

pola magnetycz-

nego 

indukowanie SEM w obwo-

dzie przez przesuwany ma-

gnes 

Ampera (roz-

szerzone przez 

Maxwella) 

=

t

E

d

d

d

0

0

φ

ε

µ

l

B

I

0

µ

+

 

0

0

1

µ

ε

=

c

 

efekt m

ny zmieniające

się pola elek-

tryczn

agnetycz-

go 

ego 

ytwa-

yczne 

tła można wy-

prąd w przewodniku w

rza wokół pole magnet

prędkość świa

liczyć z pomiarów EM 

 

 

25-4