Maksvela vienādojumi

Fizikā **Maksvela vienādojumi** ir četru diferenciālvienādojumu sistēma, kas apraksta elektromagnētisko lauku vakuumā. Tie raksturo elektriskā un magnētiskā lauka savstarpējo mijiedarbību, kā arī to saistību ar elektrisko lādiņu un strāvas blīvumu. Šos vienādojumus 1861. gadā atklāja skotu fiziķis un matemātiķis Džeimss Maksvels.

## Integrālie Maksvela vienādojumi
**Integrālie Maksvela vienādojumi** ir elektromagnētiskā lauka teorijas postulāti.

# \oint_l \vec{E} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = - \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d} t} \  un \Phi = \int_S \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} \ 
# \oint_S \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} =  0 \ 
# \oint_l \vec{B} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = \mu_0 (I + I_D) \  un N = \int_S \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} \ 
# \oint_S \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} = \frac{q}{\epsilon_0} 
Šiem integrālajiem vienādojumiem mēdz pievienot vēl arī elektriskā lādiņa nezūdamības likumu
# I = - \frac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t} \ 

### Vienādojumu sistēmas pāri
Vienādojumu sistēma sastāv no diviem vienādojumu pāriem. 
* Pirmais vienādojumu pāris (1. un 2.) ir homogēni vienādojumi vektoriem \vec{E} \  un \vec{B} \ . Šie vienādojumi ir spēkā visiem elektromagnētiskajiem laukiem neatkarīgi no tā, kādi ir to avoti (t.i., lādiņi un strāvas)
* Otrs vienādojumu pāris (3. un 4.) ir nehomogēni vienādojumi: tie satur lauka avotus q \  un I \ , kurus savstarpēji saista lādiņa nezūdamības likums (5.).

### Maksvela vienādojumu fizikālais saturs
* Pirmajā un trešajā vienādojumā \vec{E} \  un \vec{B} \  cirkulāciju aprēķina pa jebkuru patvaļīgu slēgtu kontūru l \ , bet magnētiskās indukcijas plūsmu \Phi \ , elektriskās intensitātes plūsmu N \  un lādiņnesēju plūsmu I \  aprēķina pa atvērtu virsmu S \ .
* Otrajā un ceturtajā vienādojumā ir aprēķināts magnētiskās indukcijas \vec{B} \  un elektriskās intensitātes \vec{E} \  plūsmas caur jebkuru slēgtu viensakarīgu virsmu S \ , bet q \  ir pilnais elektriskais lādiņš virsmas S \  ierobežotajā tilpumā. (Šī virsma S \  tātad nav un nevar būt tā pati, kas pirmajā un trešajā vienādojumā!)

### Maksvela vienādojumu empīriskie fakti vai likumsakarības
Katrs no postulētajiem integrālajiem vienādojumiem atbilst konkrētam empīriskajam faktam vai likumsakarībai, kurus apstiprina eksperimenti.
* Pirmais vienādojums izsaka elektromagnētiskās indukcijas likumu.
* Otrais vienādojums izsaka apgalvojumu, ka magnētiskās indukcijas līnijas vienmēr ir noslēgtas.
* Trešais vienādojums saista magnētisko lauku ar tā iespējamiem avotiem - strāvu I \  un nobīdes strāvu I_D \ .
* Ceturtais vienādojums ir Gausa teorēma elektriskajam laukam.

## Maksvela diferenciālvienādojumi
No Maksvela integrālajiem vienādojumiem, kuri ir spēkā galīgam tilpumam  V \ , virsmai  S \  un kontūram  l \  var iegūt atbilstošus diferenciālvienādojumus. Tie saista vektorus  \vec{E} \  un  \vec{B} \  katrā telpas punktā, jebkurā laika momentā un tāpēc ir noteiktā nozīmē *vispārīgāki* nekā integrālie vienādojumi.

Lai iegūtu Maksvela diferenciālvienādojumus
\begin{cases} \ rot \vec{E} = - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \\ \ div \vec{B} = 0 \end{cases} \ 
\begin{cases} \ rot \vec{B} = \mu_0 \vec{j} + \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \\ \ div \vec{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0} \end{cases} \ 
, integrālie vienādojumi jāpārveido tā, lai to abās pusēs būtu integrāļi pa vienu un to pašu apgabalu - virsmu vai tilpumu. Šādi pārveidotām zemintegrāļa izteiksmēm integrālo vienādojumu kreisajā un labajā pusē jābūt vienādām, jo integrēšanas apgabals ir patvaļīgs. Zemintegrāļu izteiksmju vienādības ir meklētie diferenciālvienādojumi. Integrālo vienādojumu pārveidošanai izmanto Stoksa un Ostrogradska - Gausa teorēmas.

### Pirmais Maksvela diferenciālvienādojums
Pirmo Maksvela diferenciālvienādojumu iegūst no integrālā vienādojuma \oint_l \vec{E} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = - \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d} t} \ . Šeit plūsma \Phi = \int_S \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} \  ir aprēķināta virsmai  S \ , kuru aptver noslēgts kontūrs  l \ . Vienādojuma kreiso pusi pārveido, izmantojot Stoksa teorēmu:  \oint_l \vec{E} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = \int_S rot \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} \  Labajā pusē mainam atvasināšanas un integrēšanas secību, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \int_S \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} = \int_S \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \mathrm{d} \vec{S} \ . Šo pārveidojumu rezultātā iegūstam, ka  \int_S rot \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} = - \int_S \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \mathrm{d} \vec{S} \ 

Pielīdzinot zemintegrāļa izteiksmes vienu otrai, iegūst **pirmo Maksvela diferenciālvienādojumu**
 rot \vec{E} = - \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \ 

### Otrais Maksvela diferenciālvienādojums
Otrā Maksvela diferenciālvienādojuma uzrakstīšanai izmanto Ostrogradska - Gausa teorēmu integrālam vienādojumam \oint_S \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} =  0 \ , proti, nosacījumam, ka magnētiskā plūsma caur jebkuru noslēgtu virsmu  S \  ir vienāda ar nulli. Patvaļīgam tilpumam  V \   \int_V div \vec{B} \mathrm{d} V = 0 \ . No tā izriet **otrais Maksvela diferenciālvienādojums**

 div \vec{B} = 0 \ 

### Trešais Maksvela diferenciālvienādojums
Trešo Maksvela diferenciālvienādojumu iegūst analogi pirmā diferenciālvienādojuma pārveidošanai \oint_l \vec{B} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = \mu_0 (I + I_D) \ , kur strāva  I = \int_S \vec{j} \mathrm{d} \vec{S} \  un vektora  \vec{E} \  plūsma  N = \int_S \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} \  ir saķēdēta ar kontūru  l \ , kas savukārt ietver virsmu  S \ . Izmantojot Stoksa teorēmu magnētiskās indukcijas cirkulācijai,  \oint_l \vec{B} \mathrm{d} \boldsymbol{\ell} = \int_S rot \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} . Lietojot strāvas tilpuma blīvuma formulu  \vec{j} = \rho \vec{v} \ , strāvu var uzskatīt par lādiņnesēju plūsmu caur virsmu  S \ , kuras robežkontūrs  l \ . Mainot atvasināšanas un integrēšanas secību vienādojuma labās puses otrajā saskaitāmajā, var atrast, ka  \int_S rot \vec{B} \mathrm{d} \vec{S} = \mu_0 \int_S \vec{j} \mathrm{d} \vec{S} + \epsilon_0 \mu_0 \int_S \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \mathrm{d} \vec{S} \  un tātad iegūstam **trešo Maksvela diferenciālvienādojumu**

 rot \vec{B} = \mu_0 \vec{j} + \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \ 

### Ceturtais Maksvela diferenciālvienādojums
Ceturto Maksvela diferenciālvienādojumu uzraksta, izmantojot Gausa teorēmu \oint_S \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} = \frac{q}{\epsilon_0} \ . Noslēgtas virsmas  S \  ierobežotā tilpumā  V \  lādiņš  q = \int_V \rho \mathrm{d} V \  ( \rho \  ir tilpuma lādiņa blīvums). Pārveidojot elektriskās intensitātes plūsmu pēc Ostrogradska-Gausa teorēmas,  \oint_S \vec{E} \mathrm{d} \vec{S} = \int_V div \vec{E} \mathrm{d} V \ , varam uzrakstīt, ka  \int_V div \vec{E} \mathrm{d} V = \int_V \frac{\rho \mathrm{d} V}{\epsilon_0} \ .

Tātad, rezultātā iegūstam pēdējo, **ceturto Maksvela diferenciālvienādojumu**:  div \vec{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}\ 

### Maksvela diferenciālvienādojumu interpretācija vektorlauka teorijas jēdzienos
* Pirmais vienādojums elektriskā lauka intensitātes rotoram ir elektromagnētiskās indukcijas likums diferenciālā formā: laikā mainīgs magnētiskais lauks  \vec{B} \  inducē elektrisko virpuļlauku  \vec{E} \ . Ja magnētiskā lauka nav vai arī ja tas ir stacionārs, tad  rot \vec{E} = 0 \  un elektriskais lauks ir potenciāls lauks. Potenciālu elektrisko lauku rada nekustīgi elektriskie lādiņi. Ja tie izvietoti tilpumā tā, ka to blīvums ir  \rho \ , elektriskā lauka intensitāti nosaka ceturtais Maksvela vienādojums,  div \vec{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}\ . Saskaņā ar šo vienādojumu intensitātes līnijas izplūst no telpas punktiem, kuros lādiņa blīvums ir pozitīvs ( \rho > 0 \ ), bet ieplūst punktos, kuros tas ir negatīvs ( \rho ).
* Otrais Maksvela vienādojums,  div \vec{B} = 0 \ , ir magnētiskā lauka solenoidalitātes nosacījums;  \vec{B} \  līnijas *vienmēr* ir noslēgtas: tām nav izteču un noteču.
* Trešais Maksvela vienādojums saista magnētisko lauku ar tā avotiem: 1) strāvu, kuras blīvums ir  \vec{j} \ , un 2) laikā mainīga elektriskā lauka atvasinājumu  \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \ .
* Ceturtā Maksvela vienādojumu interpretāciju skatīt pie pirmā Maksvela vienādojuma interpretācijas.

### Maksvela vienādojumi koordinātās
Maksvela vienādojumus var uzrakstīt arī koordinātās. Piemēram, Dekarta koordinātās iegūstam astoņus parciālos diferenciālvienādojumus trim elektriskās intensitātes koordinātām  E_x \ ,  E_y \ ,  E_z \  un trim magnētiskās indukcijas koordinātām  B_x \ ,  B_y \ ,  B_z \ :

\begin{cases} \ \frac{\partial E_z}{\partial y} - \frac{\partial E_y}{\partial z} = - \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial B_x}{\partial t} \\ \ \frac{\partial E_x}{\partial z} - \frac{\partial E_z}{\partial x} = - \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial B_y}{\partial t} \\ \ \frac{\partial E_y}{\partial x} - \frac{\partial E_x}{\partial y} = - \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial B_z}{\partial t} \end{cases} \ 

\frac{\partial B_x}{\partial x} + \frac{\partial B_y}{\partial y} + \frac{\partial B_z}{\partial z} = 0 \ 

\begin{cases} \ \frac{\partial B_z}{\partial y} - \frac{\partial B_y}{\partial z} = \mu_0 j_x + \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial E_x}{\partial t} \\ \ \frac{\partial B_x}{\partial z} - \frac{\partial B_z}{\partial x} = \mu_0 j_y + \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial E_y}{\partial t} \\ \ \frac{\partial B_y}{\partial x} - \frac{\partial B_x}{\partial y} = \mu_0 j_z + \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial E_z}{\partial t} \end{cases} \ 

\frac{\partial E_x}{\partial x} + \frac{\partial E_y}{\partial y} + \frac{\partial E_z}{\partial z} = \frac{\rho}{\epsilon_0} \ 

### Maksvela vienādojumi nav jebkuru elektromagnētisko procesu vienādojumi
Maksvela vienādojumi ir elektromagnētiskā lauka dinamikas vienādojumi. Tomēr tie nav *jebkuru* elektromagnētisko vai elektrodinamisko procesu vienādojumi, un, piemēram, no tiem neizriet lauka avotu - lādiņu (vai, precīzāk sakot, lādiņnesēju) kustības likumi elektriskajā un magnētiskajā laukā. Tie jāformulē īpaši, iepriekš noskaidrojot, kādi ir spēki un momenti, kuri uz lādiņnesējiem un strāvas vadītājiem darbojas elektriskajā un magnētiskajā laukā.

## Papildu literatūra
* .
* .
* .

## Skatīt arī

* Viļņu vienādojums

## Ārējās saites
* Eric W. Weisstein, Maxwell Equations, scienceworld.wolfram.com 
* Maxwell's Equations, Hyperphysics