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    【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

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      高考加油

      在上一节《积分篇:上》中我们讲到高斯磁场定律,那么接下来我们将更深入地了解磁如何生电,以及麦克斯韦方程组的积分形式。

       


      10电磁感应

       

      既然是要做实验看磁如何生电,那首先肯定得有一个磁场。这个简单,找两块N极和S极相对的磁铁,这样它们之间就会有一个磁场。我再拿一根金属棒来,看看它有没有办法从磁场中弄出电来。因为金属棒是导电的,所以我把它用导线跟一个检测电流的仪器连起来,如果仪器检测到了电流,那就说明磁生电成功了。

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      法拉第做了很多这样的实验,他发现:你金属棒放在那里不动是不会产生电流的(这是自然,否则你就是凭空产生了电,能量就不守恒了。你要这样能发电,那我买块磁铁回家,就永远不用再交电费了)。

       

      然后,他发现金属棒在那里动的时候,有时候能产生电流,有时候不能产生,你要是顺着磁感线的方向运动(在上图就是左右运动)就没有电流,但是你要是做切割磁感线的运动(在上图就是上下运动)它就能产生电流。打个通俗的比喻:如果把磁感线想象成一根根面条,你只有把面条(磁感线)切断了才会产生电流

       

      再然后,他发现金属棒在磁场里不动虽然不会产生电流,但是如果这时候我改变一下磁场的强度,让磁场变强或者变弱一些,即便金属棒不动也会产生电流

       

      法拉第仔细总结了这些情况,他发现不管是金属棒运动切割磁感线产生电流,还是磁场强度变化产生电流,都可以用一个通用的方式来表达:只要闭合回路的磁通量发生了改变,就会产生电流。我们想想,磁通量是磁场强度B和面积a的乘积(B·a),我切割磁感线其实是相当于改变了磁感线通过回路的面积a,改变磁场强度就是改变了B。不管我是改变了a还是B,它们的乘积B·a(磁通量)肯定都是要改变的

       

      也就是说:只要通过曲面(我们可以把闭合回路当作一个曲面)的磁通量发生了改变,回路中就会产生电流,而且磁通量变化得越快,这个电流就越大

       

      到了这里,我们要表示通过一个曲面的磁通量应该已经轻车熟路了。磁通量是B·a,那么通过一个曲面S的磁通量给它套一个积分符号就行了。于是,通过曲面S磁通量可以写成下面这样:

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      细心的同学就会发现这个表达式跟我们高斯磁场定律里磁通量部分稍微有点不一样,高斯磁场定律里的积分符号(拉长的S)中间有一个圆圈,我们这里却没有。高斯磁场定律说“闭合曲面的磁通量恒为0”,那里的曲面是闭合曲面,所以有圆圈。而我们这里的曲面并不是闭合曲面(我们是把电路回路当成一个曲面,考虑通过这个回路的磁通量),也不能是闭合曲面。因为法拉第就是发现了“通过一个曲面的磁通量有变化就会产生电流”,如果这是闭合曲面,那根据高斯磁场定律它的磁通量恒为0,恒为0那就是没有变化,没变化按照法拉第的说法就没有电流,那还生什么电?

       

      所以,我们要搞清楚,我们这里不再是讨论闭合曲面的磁通量,而是一个非闭合曲面的磁通量,这个磁通量发生了改变就会产生电流,而且变化得越快产生的电流就越大。上面的式子给出的只是通过一个曲面S的磁通量,但是我们看到了最终决定电流大小的并不是通过曲面的磁通量的大小,而是磁通量变化的快慢。那么这个变化的快慢我们要怎么表示呢?

       

      我们先来看看我们是怎么衡量快慢的。比如身高,一个人在十二三岁的时候一年可以长10厘米,我们说他这时候长得快;到了十七八岁的时候可能一年就长1厘米,我们就说他长得慢。也就是说,我们衡量一个量(假设身高用y表示)变化快慢的方法是:给定一个变化的时间dt(比如一年,或者更小),看看这个量的变化dy是多少,如果这个量的变化很大我们就说它变化得很快,反之则变化得慢

       

      因此,我们可以用这个量的变化dy和给定的时间dt的比值dy/dt来衡量量这个量y变化的快慢。所以,我们现在要衡量磁通量变化的快慢,那就只需要把磁通量的表达式替换掉上面的y就行了,那么通过曲面S的磁通量变化的快慢就可以这样表示:

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      这样,我们就把磁生电这个过程中磁的这部分说完了,那么电呢?一个闭合回路(曲面)的磁通量有变化就会产生电,那这种电要怎么描述?

       


      11电场的环流

       

      可能有人觉得磁通量的变化不是在回路里产生了电流么,那么我直接用电流来描述这种电不就行了么不行,我们的实验里之所以有电流,是因为我们用导线把金属棒连成了一个闭合回路,如果我们没有用导线去连金属棒呢?那肯定就没有电流了。

       

      所以,电流并不是最本质的东西,那个最本质的东西是电场一个曲面的磁通量发生了变化,它就会在这个曲面的边界感生出一个电场,然后这个电场会驱动导体中的自由电子定向移动,从而形成电流。因此,就算没有导线没有电流,这个电场依然存在。所以,我们要想办法描述的是这个被感生出来的电场

       

      首先,一个曲面的磁通量发生了改变,就会在在曲面的边界感应出一个电场,这个电场是环绕着磁感线的,就像是磁感线的腰部套了一个呼啦圈。而且,你这个磁通量是增大还是减小,决定了这个电场是顺时针环绕还是逆时针环绕,如下图:

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      如果我们从上往下看的话,这个成闭环的感生电场就是如下图所示:它在这个闭环每点的方向都不一样,这样就刚好可以沿着回路驱动带电粒子,好像是电场在推着带电粒子在这里环里流动一样

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      这里,我们就要引入一个新的概念:电场环流,电场的环流就是电场沿着闭合路径的线积分。这里有两个关键词:闭合路径线积分。闭合路径好说,你只有路径是闭合的,才是一个环嘛,感生电场也是一个环状的电场。

       

      电场的线积分是什么意思呢?因为我们发现这个感生电场是一个环状电场,它在每一个点的方向都不一样。但是,我们依然可以发动微积分的思想:这个电场在大范围内(比如上面的整个圆环)方向是不一样的,但是,如果在圆环里取一个非常小的段dl,电场E就可以看做是一个恒定的了,这时候E·dl就是有意义的了。然后把这个环上所有部分的E·dl都累加起来,也就是沿着这个圆环逐段把E·dl累加起来,这就是对电场求线积分。而这个线积分就是电场环流,用符号表示就是这样:

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      积分符号下面的C表示这是针对曲线进行积分,不同于我们前面的面积分(下标为S),积分符号中间的那个圆圈就表示这个是闭合曲线(电场形成的圆环)。如果大家已经熟悉了前面曲面通量的概念,我想这里要理解电场在曲线上的积分(即电场环流)并不难。

       

      这个电场环流有什么物理意义呢?它就是我们常说电动势,也就是电场对沿着这条路径移动的单位电荷所做的功。我这里并不想就这个问题再做深入的讨论,大家只要直观的感觉一下就行了。你想想这个电场沿着这个回路推动电荷做功(电场沿着回路推着电荷走,就像一个人拿着鞭子抽磨磨的驴),这就是电场环流要传递的概念。而用这个概念来描述变化的磁产生的电是更加合适的,它既包含了感生电场的大小信息,也包含了方向信息。

       


      12方程三:法拉第定律

       

      所以,麦克斯韦方程组第三个方程——法拉第定律的最后表述就是这样的:曲面的磁通量变化率等于感生电场的环流。用公式表述就是这样:

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      方程右边的磁通量的变化率和和左边的感生电场环流我们上面都说了,还有一个需要说明的地方就是公式右边的这个负号。为什么磁通量的变化率前面会有个负号呢?

       

      我们想想,法拉第定律说磁通量的变化会感生出一个电场出来,但是我们别忘了奥斯特的发现:电流是有磁效应的。也就是说,磁通量的变化会产生一个电场,这个电场它自己也会产生磁场,那么也就有磁通量。那么,你觉得这个感生电场产生的磁通量跟原来磁场的磁通量的变化会有什么关系

       

      假如原来的磁通量是增加的,那么这个增加的磁通量感生出来的电场产生的磁通量是跟原来方向相同还是相反?仔细想想你就会发现,答案必然是相反。如果原来的磁通量是增加的,你感生出来的电场产生的磁通量还跟它方向相同,这样不就让原来的磁通量增加得更快了么?增加得更快,按照这个逻辑就会感生出更强大的电场,产生更大的与原来方向相同的磁通量,然后又导致原来的磁通量增加得更快……

       

      然后你会发现这个过程可以无限循环下去,永远没有尽头,这样慢慢感生出无限大的电场和磁通量,这肯定是不可能的。所以,为了维持一个系统的稳定,你原来的磁通量是增加的,我感生电场产生的磁通量就必然要让原来的磁通量减小,反之亦然。这就是楞次定律的内容,中学的时候老师会编一些口诀让你记住它的内容,但是我想让你知道这是一个稳定系统自然而然的要求。楞次定律背后还有一些更深层次的原因,这里我们暂时只需要知道这是法拉第定律那个负号的体现就行了。

       

      到这里,我们就把麦克斯韦方程组的第三个方程——法拉第定律的内容讲完了,它刻画了变化的磁通量如何产生电场的过程。但是,我们上面也说了,我们这里的磁通量变化包含了两种情况:导体运动导致的磁通量变化和磁场变化导致的磁通量变化。这两种情况其实是不一样的,但是它们居然又可以用一个统一的公式来表达,这其实是非常不自然的,当时的人们也只是觉得这是一种巧合罢了,但是爱因斯坦却不认为这是一种巧合,而是大自然在向我们暗示什么,他最终从这里发现了狭义相对论,有兴趣的同学可以这里思考一下。

       

      也因为这两种情况不一样,所以,法拉第定律还有另外一个版本:它把这两种情况做了一个区分,认为只有磁场变化导致的磁通量变化才是法拉第定律,前面导体运动导致的磁通量变化只是通量法则。所以我们有时候就会看到法拉第定律的另一个版本:

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      对比一下这两个法拉第定律,我们发现后面这个只是把那个变化率从原来的针对整个磁通量移到了只针对磁场强度B(因为B不是只跟时间t有关,还可以跟其它的量有关,所以我们这里必须使用对时间的偏导的符号∂B/∂t),也就是说它只考虑变化磁场导致的磁通量变化。这种形式跟我们后面要说的法拉第定律的微分形式对应得更好,这个后面大家会体会到。

       

      磁生电的过程我们先讲这么多,最后我们来看看电生磁的情况。可能有些人会觉得我这个出场次序有点奇怪:明明是奥斯特先发现了电流的磁效应,大概十年后法拉第才发现了磁如何生电,为什么你却要先讲磁生电的法拉第定律,最后讲电生磁呢?

       


      13安培环路定理

       

      确实,是奥斯特首先爆炸性地发现了电流的磁效应,发现了原来电和磁之间并不是毫无关系的。

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      如上图,假设电流从下往上,那么它在周围就会产生这样一个环形的磁场。磁场的方向可以用所谓的右手定则直观的判断:手握着导线,拇指指向电流的方向,那么你右手四指弯曲的方向就是磁场B的方向。

       

      然后毕奥、萨伐尔和安培等人立马着手定量的研究电流的磁效应,看看一定大小的电流在周围产生的磁场的大小是怎样的。于是,我们就有了描述电流磁效应的毕奥-萨伐尔定律安培环路定理。其中,毕奥-萨伐尔定律就类似于库伦定律安培环路定理就类似于高斯电场定律,因为在麦克斯韦方程组里,我们使用的是后一套语言,所以我们这里就只来看看安培环路定理

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

                                                                                                 

      安培环路定理的左边跟法拉第定律的左边很相似,这是很显然的。因为法拉第定律说磁通量的变化会在它周围产生一个旋转闭合的电场,而电流的磁效应也是在电流的周围产生一个旋转闭合的磁场。在上面我们已经说了我们是用电场环流(也就是电场在闭合路径的线积分)来描述这个旋转闭合的电场,那我们这里一样使用磁场环流(磁场在闭合路径的线积分)来描述这种旋转闭合的磁场。

       

      安培环路定理的右边就比较简单了,μ0是个常数(真空磁导率),不用管它。I通常是用来表示电流的,enc这个右标我们在高斯电场定律那里已经说过了,它是包含的意思。所以,右边这个带enc的电流I就表示被包含在闭合路径里的总电流,哪个闭合路径呢?那自然就是你左边积分符号中间那个圈圈表示的闭合路径了。

       

      也就是说,安培环路定理其实是在告诉我们:通电导线周围会产生旋转磁场,你可以在这个电流周围随便画一个圈,那么这个磁场的环流(沿着这个圈的线积分)就等于这个圈里包含的电流总量乘以真空磁导率

       

      那么,这样就完了么?静电、静磁分别由两个高斯定律描述,磁生电法拉第定律描述,电生磁就由安培环路定理描述?

       

      不对,我们看看安培环路定理,虽然它确实描述了电生磁,但是它这里的电仅仅是电流(定理右边只有电流一项)。难道一定要有电流才会产生磁?电磁感应被发现的原因就是看到奥斯特发现了电流的磁效应,发现电能生磁,所以人们秉着对称性的原则,觉得既然电能够生磁,那么磁也一定能够生电。那么,继续秉着这种对称性,既然法拉第定律说“变化的磁通量能够产生电”,那么,我们实在有理由怀疑:变化的电通量是不是也能产生磁呢

       


      14方程四:安培-麦克斯韦定律

       

      那么,为什么描述电生磁的安培环路定理里却只有电流产生磁,而没有变化的电通量产生磁这一项呢?难道当时的科学家们没意识到这种对称性么?当然不是,当时的科学家们也想从实验里去找到电通量变化产生磁场的证据,但是他们并没有找到。没有找到依然意味着有两种可能:不存在或者目前的实验精度还发现不了它

       

      如果你是当时的科学家,面对这种情况你会作何选择?如果你因为实验没有发现它就认为它不存在,这样未免太过保守。但是,如果你仅仅因为电磁之间的这样一种对称性(而且还不是非常对称,因为大自然里到处充满了独立的电荷,却没有单独的磁单极子)就断定“电通量的变化也一定会产生磁”这样未免太过草率。这种时候就是真正考验一个科学家能力和水平的时候了。

       

      麦克斯韦选择了后者,也就是说麦克斯韦认为“变化的电通量也能产生磁”,但是他并不是随意做了一个二选一的选择,而是在他的概念模型里发现必须加入这样一项。而且,只有加上了这样一项,修正之后的安培环路定理才能跟高斯电场定律、高斯磁场定律、法拉第定律融洽相处,否则他们之间会产生矛盾(这个矛盾我们在后面的微分篇里再说)。麦克斯韦原来的模型太过复杂,我这里就不说了,这里我用一个很简单的例子告诉大家为什么必须要加入“变化的电通量也能产生磁”这一项。

       

      在安培环路定理里,我们可以随意选一个曲面,然后所有穿过这个曲面的电流会在这个曲面的边界上形成一个环绕磁场,问题的关键就在这个曲面的选取上。按理说,只要你的这个曲面边界是一样的,那么曲面的其他部分就随便你选,因为安培环路定理坐标的磁场环流只是沿着曲面的边界的线积分而已,所以它只跟曲面边界有关。下面这个例子就会告诉你即便曲面边界一样,使用安培环路定理还是会做出相互矛盾的结果。

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      上图是一个包含电容器的简单电路。电容器顾名思义就是装电的容器,它可以容纳一定量的电荷。一开始电容器是空的,当我们把开关闭合的时候,电荷在电池的驱动下开始移动,移动到了电容器这里就走不动了(此路不通),然后电荷们就聚集在电容器里。因为电容器可以容纳一定量的电荷,所以,当电容器还没有被占满的时候,电荷是可以在电路里移动的,电荷的移动就表现为电流。

       

      所以,我们会发现当我们在给电容器充电的时候,电路上是有电流的,但是电容器之间却没有电流。所以,如果我们选择上图的曲面,那么明显是有电流穿过这个曲面,但是,如果我们选择下面这个曲面呢(此处图片来自《麦克斯韦方程直观》)?

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      这个曲面的边界跟上图一样,但是它的底却托得很长,盖住了半块电容器。这是什么意思呢?因为我们知道电容器在充电的时候,电容器里面是没有电流的,所以,当我们把曲面选择成下面这个样子的时候,根本就没有电流穿过这个曲面。

       

      也就是说,如果我选上面的曲面,有电流穿过曲面,按照安培环路定理,它是肯定会产生一个环绕磁场的。但是,如果我选择下面的曲面,就没有电流通过这个曲面,按照安培环路定理就不会产生环绕磁场。而安培环路定理只限定曲面的边界,并不管你曲面的其它地方,于是我们就看到这两个相同边界的曲面会得到完全不同的结论,这就只能说明:安培环路定理错了,或者至少它并不完善

       

      我们再来想一想,电容器在充电的时候电路中是有电流的,所以它周围应该是会产生磁场的。但是,当我们选择下面那个大口袋形的曲面的时候,并没有电流穿过这个曲面。那么,到底这个磁场是怎么来的呢

       

      我们再来仔细分析一下电容器充电的过程:电池驱使着电荷不断地向电容器聚集,电容器中间虽然没有电流,但是它两边聚集的电荷却越来越多。电荷越来越多的话,在电容器两个夹板之间的电场强度是不是也会越来越大?电场强度越来越大的话,有没有嗅到什么熟悉的味道?

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      没错,电场强度越来越大,那么通过这个曲面的电通量也就越来越大。因此,我们可以看到虽然没有电流通过这个曲面,但是通过这个曲面的电通量却发生了改变。这样,我们就可以非常合理地把“变化的电通量”这一项也添加到产生磁场的原因里。因为这项工作是麦克斯韦完成的,所以添加了这一项之后的新公式就是麦克斯韦方程组第四个方程——安培-麦克斯韦定律

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      把它和安培环路定理对比一下,你就会发现它只是在在右边加了变化的电通量这一项,其它的都原封未动。E·a电通量,套个面积分符号就表示通过曲面S的电通量,再加个d/dt就表示通过曲面S电通量变化的快慢。因为在讲法拉第定律的时候我们详细讲了通过曲面磁通量变化的快慢,这里只是把磁场换成了电场,其他都没变。

       

      ε0是真空中的介电常数,把这个常数和电通量变化的快慢乘起来就会得到一个跟电流的单位相同的量,它就被称为位移电流,如下图:

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      所以,我们经常能够听到别人说麦克斯韦提出了位移电流假说。其实,它的核心就是添加了“变化的电通量也能产生磁场”这一项,因为当时并没有实验能证明这一点,所以只能暂时称之为假说。在安培环路定理里添加了这一项之后,新生的安培-麦克斯韦定律就能跟其他的几条定律和谐相处了。而麦克斯韦之所以能够从他的方程组里预言电磁波的存在,这最后添加这项“变化的电通量产生磁场”至关重要。

       

      因为你想想,预言电磁波的关键就是“变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场”,这样变化的磁场和电场就能相互感生传向远方,从而形成电磁波。而变化的电场能产生磁场,这不就是麦克斯韦添加的这一项的核心内容么?电场变了,磁通量变了,于是就产生了磁场。至于麦克斯韦方程组如何推导出电磁波,我后面再专门写文章解释,这里知道电磁波的产生跟位移电流的假说密切相关就行了。

       


      15麦克斯韦方程组

       

      至此,麦克斯韦方程组的四个方程:描述静电的高斯电场定律、描述静磁的高斯磁场定律、描述磁生电的法拉第定律和描述电生磁的安培-麦克斯韦定律积分形式就都说完了。把它们都写下来就是这样:

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      高斯电场定律穿过闭合曲面的电通量正比于这个曲面包含的电荷量

      高斯磁场定律穿过闭合曲面的磁通量恒等于0

      法拉第定律穿过曲面的磁通量的变化率等于感生电场的环流

      安培-麦克斯韦定律穿过曲面的电通量的变化率和曲面包含的电流等于感生磁场的环流

       

      我们看到,在这里从始至终都占据着核心地位的概念就是通量

       

      【硬核强推】最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇:下)

      如果一个曲面是闭合的,那么通过它的通量就是曲面里面某种东西的量度。因为自然界存在独立的电荷,所以高斯电场定律的右边就是电荷量的大小,因为我们还没有发现磁单极子,所以高斯磁场定律右边就是0。

       

      如果一个曲面不是闭合的,那么它就无法包住什么,就不能成为某种荷的量度。但是,一个曲面如果不是闭合的,它就有边界,于是我们就可以看到这个非闭合曲面的通量变化会在它的边界感生出某种旋涡状的场,这种场可以用环流来描述。因而,我们就看到了:如果这个非闭合曲面磁通量改变了,就会在这个曲面的边界感生出电场,这就是法拉第定律;如果这个非闭合曲面电通量改变了,就会在这个曲面的边界感生出磁场,这就是安培-麦克斯韦定律的内容。

       

      所以,当我们用闭合曲面非闭合曲面通量把这四个方程串起来的时候,你会发现麦克斯韦方程组还是很有头绪的,并不是那么杂乱无章。闭上眼睛,想象空间中到处飞来飞去的电场线、磁场线,它们有的从一个闭合曲面里飞出来,有的穿过一个闭合曲面,有的穿过一个普通的曲面然后在曲面的边界又产生了新的电场线或者磁场线。它们就像漫天飞舞的音符,而麦克斯韦方程组就是它们的指挥官

       


      16结语

       

      有很多朋友以为麦克斯韦方程组就是麦克斯韦写的一组方程,其实不然。如我们所见,麦克斯韦方程组虽然有四个方程,但是其中有三个半(高斯电场定律、高斯磁场定律、法拉第定律、安培环路定理)是在麦克斯韦之前就已经有了的,真正是麦克斯韦加进去的只有安培-麦克斯韦定律里”电通量的变化产磁场”那一项。知道了这些,有些人可能就会觉得麦克斯韦好像没那么伟大了。

       

      其实不然,在麦克斯韦之前,电磁学领域已经有非常多的实验定律,但是这些定律哪些是根本,哪些是表象?如何从这一堆定律中选出最核心的几个,然后建立一个完善自洽的模型解释一切电磁学现象?这原本就是极为困难的事情。更不用说麦克斯韦在没有任何实验证据的情况下,凭借自己天才的数学能力和物理直觉直接修改了安培环路定理,修正了几个定律之间的矛盾,然后还从中发现了电磁波。所以,丝毫没有必要因为麦克斯韦没有发现方程组的全部方程而觉得他不够伟大。

       

      最后,如题所示,我这篇文章讲的只是麦克斯韦方程组的积分篇,方程都是用积分是形式写的。因为积分篇主要是从通量,从宏观的角度来描述电磁学,所以相对比较容易理解。有积分篇那就意味着还有麦克斯韦方程组微分篇,微分篇的内容我下一篇文章再讲。我这篇文章主要参考了《电动力学导论》(格里菲斯)和《麦克斯韦方程直观》(Daniel Fleisch),大家想对麦克斯韦方程组做进一步了解的可以看看这两本书。

       


      文章转载自公众号:长尾科技,转载已获授权

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