磁通量的概念很好建立,我们可以完全模仿电通量的概念,将磁感线通过一个曲面的数量定义磁通量。根据我们在上面电场里使用的微积分思想,类比通过闭合曲面电通量的作法,我们可以把通过一个闭合曲面S的磁通量表示为:
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然后,我们可以类比高斯电场定律的思想“通过闭合曲面的电通量跟这个曲面包含的电荷量成正比”,建立一个高斯磁场定律,它是核心思想似乎就应该是:通过闭合曲面的磁通量跟这个曲面包含的“磁荷量”成正比。
然而这里会有个问题,我们知道自然界中有独立存在的正负电荷,电场线都是从正电荷出发,汇集与负电荷。但是自然界里并不存在(至少现在还没发现)独立的磁单极子,任何一个磁体都是南北两极共存。所以,磁感线跟电场线不一样,它不会存在一个单独的源头,也不会汇集到某个地方去,它只能是一条闭合的曲线。
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上图是一个很常见的磁铁周围的磁感线,磁铁外部的磁感线从N极指向S极,在磁铁的内部又从S极指向N极,这样就形成一个完整的闭环。
如果磁感线都是一个闭环,没有独立存在的磁单极,那我们可以想一想:如果你在这个闭环里画一个闭合曲面,那么结果肯定就是有多少磁感线从曲面进去,就肯定有多少跟磁感线从曲面出来。因为如果有一根磁感线只进不出,那它就不可能是闭合的了,反之亦然。
如果一个闭合曲面有多少根磁感线进,就有多少根磁感线出,这意味着什么呢?这就意味着你进去的磁通量跟出来的磁通量相等,那么最后这个闭合曲面包含的总磁通量就恒为0了。这就是麦克斯韦方程组的第二个方程——高斯磁场定律的核心思想:闭合曲面包含的磁通量恒为0。
通过闭合曲面的磁通量(B·a是磁通量,套个曲面的积分符号就表示曲面的磁通量)我们上面已经说了,恒为0无非就是在等号的右边加个0,所以高斯磁场定律的数学表达式就是这样的:
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对比一下高斯电场定律和高斯磁场定律,我们会发现他们不仅是名字想象,思想也几乎是一模一样的,只不过目前还没有发现磁荷、磁单极子,所以高斯磁场定律的右边就是一个0。
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