概論
麥克斯韋方程組乃是由四個方程共同組成的:- 高斯定律描述電場是怎樣由電荷生成。電場線開始於正電荷,終止於負電荷。計算穿過某給定閉曲面的電場線數量,即其電通量,可以得知包含在這閉曲面內的總電荷。更詳細地說,這定律描述穿過任意閉曲面的電通量與這閉曲面內的電荷之間的關係。
- 高斯磁定律表明,磁單極子實際上並不存在於宇宙。所以,沒有磁荷,磁場線沒有初始點,也沒有終止點。磁場線會形成循環或延伸至無窮遠。換句話說,進入任何區域的磁場線,必需從那區域離開。以術語來說,通過任意閉曲面的磁通量等於零,或者,磁場是一個螺線矢量場。
- 法拉第感應定律描述含時磁場怎樣生成(感應出)電場。電磁感應在這方面是許多發電機的運作原理。例如,一塊旋轉的條形磁鐵會產生含時磁場,這又接下來會生成電場,使得鄰近的閉循環因而感應出電流。
- 麥克斯韋-安培定律闡明,磁場可以用兩種方法生成:一種是靠電流(原本的安培定律),另一種是靠含時電場(麥克斯韋修正項)。在電磁學裡,麥克斯韋修正項意味著含時電場可以生成磁場,而由於法拉第感應定律,含時磁場又可以生成電場。這樣,兩個方程在理論上允許自我維持的電磁波傳播於空間(更詳盡細節,請參閱條目電磁波方程)。
方程組匯覽
採用不同的單位制,麥克斯韋方程組的形式會稍微有所改變,大致形式仍舊相同,只是不同的常數會出現在方程內部不同位置。國際單位制是最常使用的單位制,整個工程學領域都採用這種單位制,大多數化學家也都使用這種單位制,大學物理教科書幾乎都採用這種單位制。其它常用的單位制有高斯單位制、洛倫茲-赫維賽德單位制(Lorentz-Heaviside units)和普朗克單位制。由厘米-克-秒制衍生的高斯單位制,比較適合於教學用途,能夠使得方程看起來更簡單、更易懂。稍後會詳細闡述高斯單位制。洛倫茲-赫維賽德單位制也是衍生於厘米-克-秒制,主要用於粒子物理學;普朗克單位制是一種自然單位制,其單位都是根據大自然的性質定義,不是由人為設定。普朗克單位制是研究理論物理學非常有用的工具,能夠給出很大的啟示。在本段落里,所有方程都採用國際單位制。這裡展示出麥克斯韋方程組的兩種等價表述。第一種表述將自由電荷和束縛電荷總和為高斯定律所需要的總電荷,又將自由電流、束縛電流和電極化電流總合為麥克斯韋-安培定律內的總電流。這種表述採用比較基礎、微觀的觀點。這種表述可以套用於計算在真空里有限源電荷與源電流所產生的電場與磁場。但是,對於物質內部超多的電子與原子核,實際而言,無法一一納入計算。事實上,經典電磁學也不需要這么精確的答案。
第二種表述以自由電荷和自由電流為源頭,而不直接計算出現於介電質的束縛電荷和出現於磁化物質的束縛電流和電極化電流所給出的貢獻。由於在一般實際狀況,能夠直接控制的參數是自由電荷和自由電流,而束縛電荷、束縛電流和電極化電流是物質經過極化後產生的現象,採用這種表述會使得在介電質或磁化物質內各種物理計算更加簡易。
麥克斯韋方程組似乎是超定的(overdetermined)方程組,它只有六個未知量(矢量電場、磁場各擁有三個未知量,電流與電荷不是未知量,而是自由設定並符合電荷守恆的物理量),但卻有八個方程(兩個高斯定律共有兩個方程,法拉第定律與安培定律各有三個方程)。這狀況與麥克斯韋方程組的某種有限重複性有關。從理論可以推導出,任何滿足法拉第定律與安培定律的系統必定滿足兩個高斯定律。