Ladingdichtheid en het elektrisch veld
∇ ⋅ D = ρ\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} = \rho }
,
waarin ρ {\displaystyle {\rho }}
de vrije elektrische ladingsdichtheid is (in eenheden van C/m3), de in een materiaal gebonden dipool ladingen niet meegerekend, en D {\displaystyle \mathbf {D}
is het elektrisch verplaatsingsveld (in eenheden van C/m2). Deze vergelijking is als de wet van Coulomb voor niet-bewegende ladingen in vacuüm.
De volgende integraalvorm (volgens de divergentie-theorema), ook bekend als de wet van Gauss, zegt hetzelfde:
∮ A D ⋅ d A = Q ingesloten {{A}} \cdot d\mathbf {A} =Q_{\text{enclosed}} 
d A {\displaystyle d\mathbf {A}} }
is de oppervlakte van een differentiaalvierkant op het gesloten oppervlak A. De naar buiten wijzende oppervlaknormaal is de richting, en Q ingesloten {\displaystyle Q_{text{enclosed}}}
is de vrije lading die zich binnen het oppervlak bevindt.
In een lineair materiaal is D {\displaystyle \mathbf {D} direct gerelateerd aan het elektrisch veld E {\displaystyle \mathbf {E}}
met een constante die de permittiviteit ε wordt genoemd.
(Deze constante is verschillend voor verschillende materialen):
D = ε E {D =varepsilon \mathbf {E}} }
.
Je kunt doen alsof een materiaal lineair is, als het elektrisch veld niet erg sterk is.
De permittiviteit van de vrije ruimte wordt ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} genoemd.
en wordt in deze vergelijking gebruikt:
∇ ⋅ E = ρ t ε 0 {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho _{t}}{varepsilon _{0}}}} 
Hierin is E {\displaystyle \mathbf {E}
weer het elektrisch veld (in eenheden van V/m), ρ t de totale ladingsdichtheid (inclusief de gebonden ladingen), en ε 0varepsilon _{0}
(ongeveer 8.854 pF/m) is de permittiviteit van de vrije ruimte. Men kan ε {\displaystyle \varepsilon _{0}} ook schrijven
als ε 0 ⋅ ε r {\displaystyle \varepsilon _{0}}
. Hierin is ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}}
de permittiviteit van het materiaal in vergelijking met de permittiviteit van de vrije ruimte. Dit wordt de relatieve permittiviteit of diëlektrische constante genoemd.
Zie ook de vergelijking van Poisson.
De structuur van het magnetisch veld
∇ ⋅ B = 0 {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0} 
B }
is de magnetische fluxdichtheid (in eenheden van tesla, T), ook wel de magnetische inductie genoemd.
Deze volgende integrale vorm zegt hetzelfde:
∮ A B ⋅ d A = 0 {{A}} \cdot d\mathbf {A} =0} 
De oppervlakte van d A {\displaystyle d\mathbf {A} }
is de oppervlakte van een differentiaalvierkant op het oppervlak A {\displaystyle A}
. De richting van d A {\displaystyle d\mathbf {A}} }
is de oppervlaktenormaal die naar buiten wijst op het oppervlak van A {{\displaystyle A}}
.
Deze vergelijking werkt alleen als de integraal wordt gedaan over een gesloten oppervlak. Deze vergelijking zegt, dat in elk volume de som van de magnetische veldlijnen die naar binnen gaan gelijk is aan de som van de magnetische veldlijnen die naar buiten gaan. Dit betekent dat de magnetische veldlijnen gesloten lussen moeten zijn. Een andere manier om dit te zeggen is dat de veldlijnen niet ergens kunnen beginnen. Dit is de wiskundige manier om te zeggen: "Er zijn geen magnetische monopolen".
Een veranderende magnetische flux en het elektrisch veld
∇ × E = - ∂ B ∂ t {\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\mathbf {B}} {\partieel t}} 
Deze volgende integrale vorm zegt hetzelfde:
∮ s E ⋅ d s = - d Φ B d t {\displaystyle \oint _{s}\mathbf {E} ◒ d {mathbf {s} =-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B}} }}{dt}} 
Hierin is Φ B = ∫ A B ⋅ d A {\displaystyle \Phi _{\mathbf {B}} =int _{A}}}{mathbf {B} d³{A}} } 
Dit is wat de symbolen betekenen:
ΦB is de magnetische flux die door het gebied A gaat dat in de tweede vergelijking wordt beschreven,
E is het elektrisch veld dat de magnetische flux veroorzaakt,
s is een gesloten pad waarin stroom wordt geïnduceerd, bijvoorbeeld een draad,
v is de momentane snelheid van het lijnelement (voor bewegende stroomkringen).
De elektromotorische kracht is gelijk aan de waarde van deze integraal. Soms wordt dit symbool gebruikt voor de elektromotorische kracht: E}}, niet verwarren met het symbool voor permittiviteit dat eerder werd gebruikt.
verwar het niet met het symbool voor de permittiviteit dat eerder werd gebruikt.
Deze wet is als Faraday's wet van elektromagnetische inductie.
In sommige handboeken wordt het rechterteken van de integraalvorm weergegeven met een N (N is het aantal draadspoelen dat zich rond de rand van A bevindt) voor de fluxafgeleide. Met de N kan rekening worden gehouden bij de berekening van A (meerdere draadspoelen betekent meerdere oppervlakken voor de flux om doorheen te gaan), en het is een technisch detail, dus wordt het hier weggelaten.
Het negatieve teken is nodig voor het behoud van energie. Het is zo belangrijk dat het zelfs een eigen naam heeft, de wet van Lenz.
Deze vergelijking laat zien hoe de elektrische en magnetische velden met elkaar te maken hebben. Deze vergelijking verklaart bijvoorbeeld hoe elektromotoren en elektrische generatoren werken. In een motor of generator heeft de veldkring een vast elektrisch veld dat een magnetisch veld veroorzaakt. Dit wordt vaste bekrachtiging genoemd. De variërende spanning wordt gemeten over de ankerschakeling. De vergelijkingen van Maxwell worden gebruikt in een rechtshandig coördinatenstelsel. Om ze te gebruiken in een linksdraaiend stelsel, zonder de vergelijkingen te moeten veranderen, moet de polariteit van de magnetische velden tegengesteld worden gemaakt (dit is niet verkeerd, maar het is verwarrend omdat het gewoonlijk niet zo wordt gedaan).
De bron van het magnetisch veld
∇ × H = J + ∂ D ∂ t {\nablaftijdstip} = {\mathbf {H} = {\mathbf {J} +{\frac {\mathbf {D}} }{\partieel t}} 
H is de magnetische veldsterkte (in eenheden van A/m), die men verkrijgt door de magnetische flux B te delen door een constante die men de permeabiliteit μ noemt (B = μH), en J is de stroomdichtheid, gedefinieerd door:
J = ∫ρqvdA
v is een vectorveld dat de driftsnelheid wordt genoemd. Het beschrijft de snelheden van de ladingsdragers die een dichtheid hebben die wordt beschreven door de scalaire functie ρq.
In de vrije ruimte is de permeabiliteit μ de permeabiliteit van de vrije ruimte, μ0, die per definitie precies 4π×10-7 W/A-m bedraagt. Ook de permittiviteit is de permittiviteit van de vrije ruimte ε0. Dus, in de vrije ruimte is de vergelijking:
∇ × B = μ 0 J + μ 0 ε 0 ∂ E ∂ t {{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =mu _{0}\mathbf {J} + {mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partiële \mathbf {E}} t}}} 
De volgende integrale vorm zegt hetzelfde:
∮ s B ⋅ d s = μ 0 I omcirkeld + μ 0 ε 0 ∫ A ∂ E ∂ t ⋅ d A {displaystyle \punt _{s}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {s} = {mu _{0}I_{\text{encircled}}+\mu _{0}varepsilon _{0} {int _{A}{\frac {\partieel \mathbf {E}} t}}}}}}}}}}}}}}}} } 
s is de rand van het open oppervlak A (elk oppervlak met de kromme s als rand is hier goed), en Iencircled is de stroom omcirkeld door de kromme s (de stroom door elk oppervlak is gedefinieerd door de vergelijking: Idoor A = ∫AJ-dA).
Als de elektrische fluxdichtheid niet erg snel verandert, is de tweede term aan de rechterkant (de verplaatsingsflux) erg klein en kan worden weggelaten, en dan is de vergelijking dezelfde als de wet van Ampere.