非勻速運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)的動(dòng)生麥克斯韋方程組理論

非勻速運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)的動(dòng)生麥克斯韋方程組理論內(nèi)容簡(jiǎn)介

在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，無(wú)論相對(duì)運(yùn)動(dòng)的是觀察者或是有幾何形狀的介質(zhì)，一般教材中默認(rèn)它們進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)(即慣性參考系)；所以，狹義相對(duì)論（洛倫茲變換）可以方便地描述真空中帶電粒子的電磁場(chǎng)變化規(guī)律。在工程應(yīng)用中，介質(zhì)（物體）一般有不同的形狀和大小，更多情況下其進(jìn)行的是加速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)且在忽略相對(duì)論效應(yīng)的情況下，我們系統(tǒng)地構(gòu)建了研究加速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)電磁現(xiàn)象的動(dòng)生麥克斯韋方程組(Maxwell'sequationsforamechano-drivenmediasystem)。我們發(fā)現(xiàn)：費(fèi)曼物理講義中列舉的“反通量法則”的例子正是由于不可忽略幾何形狀的物體的運(yùn)動(dòng)引起，而描述介質(zhì)加速運(yùn)動(dòng)的修正項(xiàng)沒(méi)有被包含在經(jīng)典的麥克斯韋方程組中。這是拓展麥克斯韋方程組的一個(gè)典型例證。我們構(gòu)建了非勻速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)（物體）系統(tǒng)中的動(dòng)生麥克斯韋方程組，擬解決在非慣性系中低速變速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)以及介質(zhì)形狀和邊界隨時(shí)間/空間變化時(shí)電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。我們概括總結(jié)了動(dòng)生麥克斯韋方程組理論的核心內(nèi)容，包括方程組的構(gòu)建背景、物理圖像、基本特點(diǎn)、與經(jīng)典方程組之間的區(qū)別和聯(lián)系、求解方法、潛在應(yīng)用范圍等。我們深入探討了動(dòng)生麥克斯韋方程組和經(jīng)典麥克斯韋方程組之間的四個(gè)主要區(qū)別。我們的結(jié)論是：動(dòng)生麥克斯韋方程組和場(chǎng)論等相關(guān)電磁理論自洽，沒(méi)有矛盾。最后,對(duì)動(dòng)生麥克斯韋方程組在科學(xué)和技術(shù)方面的潛在影響進(jìn)行了分析和展望。動(dòng)生麥克斯韋方程組(Maxwellequationsforamechano-drivenmediasystem)理論的核心內(nèi)容總結(jié)如下：

(1)從四大物理定律的積分形式出發(fā)，基于伽利略時(shí)空觀推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中的場(chǎng)(E(r,t),

B(r,t)),探究低速變速運(yùn)動(dòng)的、具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的、多個(gè)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律問(wèn)題。(2)適用于低速變速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)v(t)、介質(zhì)形狀和邊界可變的介質(zhì)v(r,t)。(3)方程組引入力-電-磁的耦合場(chǎng);對(duì)于在非慣性系中做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)，當(dāng)其速度較小、且忽略相對(duì)論效應(yīng)時(shí)，方程組可以揭示力-電-磁多場(chǎng)耦合系統(tǒng)的電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。(4)由于外力作用,系統(tǒng)的電磁能量不守恒,機(jī)械能和電磁場(chǎng)能量互相轉(zhuǎn)換，但封閉系統(tǒng)的總能量守恒。(5)物體運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生電磁波的源之一(動(dòng)生電磁場(chǎng)),描述物體里面的電磁現(xiàn)象使用動(dòng)生麥克斯韋方程組;當(dāng)源產(chǎn)生的電磁波在空間傳播時(shí)使用經(jīng)典麥克斯韋方程組,兩者在物體（介質(zhì)）界面相接并滿足邊界條件。(6)描述觀察者在實(shí)驗(yàn)室系觀測(cè)同時(shí)發(fā)生的多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的電磁現(xiàn)象,且物體之間存在相互作用；可以用方程組對(duì)物體內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布和大小的演化規(guī)律處進(jìn)行近似求解處理。(7)介質(zhì)內(nèi)部的電磁現(xiàn)象用動(dòng)生麥克斯韋方程組描述.因?yàn)榻橘|(zhì)中的光速cm總是小于c0，因此不存在超光速問(wèn)題；一旦電磁波產(chǎn)生，其在介質(zhì)之間的傳播規(guī)律用經(jīng)典的麥克斯韋方程組來(lái)描述，滿足光速不變?cè)怼?8)當(dāng)物體進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)生麥克斯韋方程組表達(dá)式回歸到經(jīng)典麥克斯韋方程組的形式，保證了整體理論系統(tǒng)的邏輯性和自洽性。(9)動(dòng)生麥克斯韋方程組的求解方法:本質(zhì)上是求解一個(gè)齊次/非齊次的二階線性偏微分方程,由于方程組的復(fù)雜性和邊界條件的特殊性，可以使用類(lèi)似于微擾論中級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法進(jìn)行求解。(10)對(duì)于工程應(yīng)用相關(guān)的非勻速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)變化，動(dòng)生麥克斯韋方程組能夠解決相關(guān)問(wèn)題.該處理方法適合于應(yīng)用物理領(lǐng)域，并且在工程電動(dòng)力學(xué)方面得到廣泛應(yīng)用。動(dòng)生麥克斯韋方程組和經(jīng)典麥克斯韋方程組之間的四個(gè)主要區(qū)別和覆蓋的范圍分別如下：a)加速運(yùn)動(dòng)的非慣性系與勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系；b)包括費(fèi)曼提出的“反通量法則”例子的電磁理論與不包括“反通量法則”的電磁理論；c)多個(gè)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與單個(gè)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；d)全場(chǎng)(近場(chǎng)+遠(yuǎn)場(chǎng))電動(dòng)力學(xué)與遠(yuǎn)場(chǎng)電動(dòng)力學(xué)。傳統(tǒng)的電動(dòng)力學(xué)更關(guān)注電磁波的遠(yuǎn)距離傳輸、反射等電磁現(xiàn)象(遠(yuǎn)場(chǎng))，如雷達(dá)和天線等；一般不同時(shí)考慮源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和與源相關(guān)的邊界條件，而重點(diǎn)考慮遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁