《中国大百科全书（第二版）》读书笔记9076-电动力学
电动力学
电磁现象的经典动力学理论。电动力学也常称为经典电动力学，是其缩写。它研究电磁场的基本性质、运动规律以及电磁场与带电物质之间的相互作用。迄今为止，电磁相互作用是人类对自然界了解最完整、最深入、应用最广泛的事物。因此，电磁相互作用的基本理论——电动力学的研究就显得尤为重要，它渗透到物理学的各个分支。它比电磁研究问题立足点更高，所使用的数学基础更深厚，理论性更强，讨论也更深入和广泛。
1. 理解过程
人类对电磁现象的认识范围逐渐从静电、恒磁、准稳态电流等特殊方面扩展到运动变化的一般过程。甚至静电学的研究也是从点电荷的吸引、排斥、感应和极化开始的。化学和其他特殊现象被扩展以探索静电的一般问题。
18世纪末至19世纪初，从各个特殊方面总结了电、磁的一些基本定律。它们是库仑定律、欧姆定律、毕奥-萨伐尔定律、安培定律和法拉第电磁感应定律。这一时期，场的概念也只是作为描述带电体与磁体之间相互作用的手段而被引入，尚未被认为是传输电磁相互作用的客观存在。
19世纪中叶，场作为一种传递电磁相互作用的客观存在，开始引起个别物理学家的关注。基于场的概念，总结了描述电磁现象的通用麦克斯韦方程组。如今，人们已经普遍接受电磁场是物质存在形式的观点。电磁场可以与所有带电物质相互作用，产生各种电磁现象。电磁场本身的运动遵循波动定律。这种以波的形式运动和变化的电磁场称为电磁波。
2.基本规则
电动力学的基本定律也是电磁现象的基本定律，主要包括以下几个部分。
2.1.麦克斯韦方程组
控制电磁场变化的一组方程。在真空和 SI 单位中，麦克斯韦方程组具有以下形式：
其中 为电场强度， 为磁感应强度， 为电荷密度， 为电流密度， 为真空介电常数， 为真空磁导率， 为空间坐标的矢量微分算子，如果用笛卡尔坐标表示坐标系 (), 且为沿轴方向的单位向量, 则
麦克斯韦方程组基于麦克斯韦实验定律，例如静电情况下的库仑定律、恒定电流情况下的毕奥-萨伐尔定律以及准恒定情况下的法拉第电磁感应定律。通过提取普遍因素，根据电荷守恒定律引入位移电流的概念，建立了 。位移电流概念的本质是变化的电场可以像电流一样激发出磁场。当时这只能是一个科学假设，但后来被实践所证实。
2.2.电荷守恒定律
电磁现象的基本定律。也就是说，封闭系统的总电荷不随时间变化。现代实验证明，电荷不仅在一般的物理过程、化学反应、核反应中是守恒的，而且在基本粒子的转变过程中也是守恒的。
电荷守恒定律的数学表达式为：
事实上，这个定律包含在麦克斯韦方程组中。事实上，上面提到麦克斯韦引入了位移电流的概念，根据电荷守恒定律建立了麦克斯韦方程组，这说明它们是一致的。因此，由麦克斯韦方程组的第一方程和第四方程可以得到上式。
2.3.洛伦兹力公式
麦克斯韦方程组给出了电磁场运动的变化规律，包括充电电流对电磁场的影响；洛伦兹力公式给出了电磁场对充电电流的影响。无论充电电流和电磁场如何变化，单位体积内的电荷
电流所受的力可表示为：
麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式共同构成了经典电动力学的基础。结合麦克斯韦方程组、洛伦兹力公式和带电体的机械运动方程，可以完全确定电磁场和带电系统的运动变化。
2.4.介质中的麦克斯韦方程组和介质的电磁特性
宏观电磁问题常常涉及电磁场与介质之间的相互作用。一方面，在电磁场的作用下，介质中发生极化、磁化、传导等过程，介质中产生极化电荷，形成极化电流和磁化电流；另一方面，形成的极化电荷、极化电流、磁化电流等也激发相应的电场和磁场，进而影响介质的极化、磁化和传导。这是一个相互作用、相互影响、达到平衡的问题。介质的极化和磁化需要分别引入物理量来描述，分别为极化强度和磁化强度。
极化电荷、极化电流和磁化电流是由电磁场与物质之间的相互作用决定的。不可能提前知道。它们可以通过真空中麦克斯韦的极化和磁化的基本公式引入电位移和磁场强度。从方程组中消去，从而得到介质中的麦克斯韦方程组：
式中，电位移，磁场强度，这里为自由电荷密度，为传导电流密度。
电位移与磁场强度的关系以及电磁场之和以及传导电流密度与电场强度的关系称为介质的本构方程，它反映了介质的电磁特性。原则上，本构方程可以根据电动力学基本定律、电子和原子核的运动方程以及统计物理定律推导。然而，这是一个非常复杂的物理问题，超出了电动力学的范围。电动力学中常用一些经验公式来表达本构方程。最简单的经验公式可以表示为线性关系：
式中， 和 分别称为相对介电常数、相对磁导率和电导率。在简单的情况下，它们是一些常数。满足这些公式的介质称为线性介质。
这些公式的应用受到一些限制，如下所述： ，并且取决于温度。当介质温度不均匀时，它们不恒定；它们与电磁场变化的频率有关，产生电磁波在介质中的传播速度取决于频率的色散现象，同时也会产生极化相对于电场的相位滞后；对于各向异性 介质 和 是张量。强度相同但方向不同的电磁场会产生不同的极化和磁化强度。上述公式不适用于铁电体和铁磁体；另外，对于一般介质，电场较大时，线性关系被破坏，出现非线性现象。如果电场再次增大，介质就会击穿；导体中的传导电流与电场强度成正比。此外，还有引起电荷流动的非电因素，例如导体中的不同位置。上式中不包括由两个导体的电子数密度差或表面化学势差引起的电荷流。另一个例子是超导体中的超导电流，它必须用完全不同的经验定律来描述。
在处理电动力学中涉及介质的电磁问题时，需要结合麦克斯韦方程组和介质本构方程来求解介质的不同情况。必须根据介质的本构方程进行专门研究。某些方面已发展为电动力学。专门分支机构。
三、基本内容
电动力学解决的问题相当广泛。一切与电磁现象以及电磁场与物质相互作用有关的问题都是其研究内容。包括求解静电场和恒定磁场的分布、介质在静电场或恒定场中所受的力、带电粒子在电磁场中的运动、电磁波的辐射散射和传播、电磁场之间的相互作用等。场和介质，以及介质运动引起的影响。电磁现象等问题。另一方面，电动力学解决的许多问题具有典型的方法论意义，是培训和相关工作的良好材料。
狭义相对论是通过对电磁现象的研究而发现的。没有相对论，电磁理论是不完整的。相对论时空观对整个物理学的发展产生了重大影响，因此狭义相对论是电动力学不可缺少的重要内容。
四、对科学技术发展的意义
电动力学是物理学所有分支的理论基础。由于任何物理物体都是由分子和原子组成，而原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，因此电结构是物理物质的基本形式。电磁场是物质存在的一种形式，电磁场是物质世界的基础。重要组成部分；电磁相互作用是物质的基本相互作用之一，许多具体的相互作用是电磁相互作用的宏观表现；电过程是自然界的一个基本过程。电和磁已渗透到物理学和其他学科的各个领域。电动力学解决的各种电磁问题对物理学和科学技术的发展具有重要的推动作用。拉开了物质电磁特性研究的帷幕；研究电子在电磁场中的运动形成电子光学，为电子显微镜的发展提供了理论基础；它开创了通信技术和雷达技术，并推动了遥感技术和天体探测。科技有了很大的发展；它还为等离子体和超导体的研究提供了理论基础。
现代科学技术的发展对各种材料的电磁性能提出了新的要求。铁氧体、铁电体、超导体、非线性介质等特种材料的应用不断发展，为电动力学提出了新的课题；激光技术的进步也提出了新的要求。新的探索推动了电动力学理论的发展，也将促进新技术和物质新性质的开发和利用。
5. 经典电动力学的局限性
将基于麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式的经典电动力学应用于微观领域可以产生一些有用的结果，但也遇到了严重的困难。根据经典电动力学，电子围绕原子核加速运动，并且必须不断向外辐射能量。电子最终将塌缩成原子核。这就造成了经典电动力学与原子稳定存在之间的尖锐矛盾。
从理论和实践分析可以看出，经典电动力学存在局限性的主要原因是其对带电物质的描述仅反映粒子侧面，而对电磁场的描述仅反映其波动性质。事实上，带电粒子也具有波动性，电磁场也具有粒子性，即微观粒子和电磁场都具有波粒二象性。只有当带电物质主要表现出粒子性、电磁场主要表现出波动性时，经典电动力学的计算结果才能近似反映客观现实。
原子内部的电子显然是不稳定的，电子的运动状态必须用波函数而不是经典轨道来描述。因此，经典电动力学在此范围内不适用；当电磁场的粒子性质显着时，例如高辐射频率端行为和光电效应等问题，经典电动力学也不再适用。
进一步的发展是量子理论的建立。在量子理论中，麦克斯韦电磁场方程被量子化并发展为量子电动力学。量子电动力学对各种微观电磁过程的理论计算和实验结果都具有非常高的精度，已成为现代物理学中最精确的理论之一。
推荐书籍
杰克逊 J D. 经典电动力学。朱培祥译.北京：人民教育出版社，1978。
郭硕宏.电动力学。北京：高等教育出版社，1997。
于云强.电动力学简明教程。北京：北京大学出版社，1999。
摘自：《中国大百科全书（第二版）》第五卷，中国大百科全书出版社，2009年