我所认识的电磁场

来源:用户上传      作者: 晋兴强

　　从人类认识自然的进程来看，电学和磁学开始是各自独立的。“电”最早在古希腊时期发现，因被摩擦过的琥珀具有吸引羽毛等轻小物体的特性，而认识“电”。东汉王充著作《论衡·乱龙》中也有“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类”的描述。顿牟即琥珀；芥指芥菜子，统喻干草、纸屑等的微小屑末。掇芥的意思是吸引芥子之类的轻小物体。不过，其中“磁石引针”的记载属于当时世界上比较早的。当然，全面研究磁的第一人还是英国人威廉·吉尔伯特，1600年，他的专著《论磁，磁体和地球作为一个巨大的磁体》，第一次使磁学由经验转为科学。顿牟掇芥也好，磁石引针也罢，它们之间都是非接触性的相互作用。但是到了1820年，丹麦科学家汉斯·奥斯特在实验中发现电流对磁针的作用，颠覆了人们已有的认识。记录到的实验现象是“在自由悬挂着的磁针上方，由北向南流动的伽伐尼电，把磁针的北端推向东，而在相同方向上，在磁针下面流过的伽伐尼电，把磁针的北端推向西”。从而第一次无可争辩地将电与磁联系到一起。紧接着，同一年，法国科学家毕奥和萨伐尔根据对电流的磁作用的实验结果得到了（恒定）电流元产生的磁场和该电流元的关系定律。后来，也是同一年，法国科学家安德烈·玛丽·安培前瞻性地认为，运动的电荷（电流）产生磁场，磁场对运动的电荷（电流）有磁场力的作用，所有的磁现象都可以归为运动电荷（电流）通过磁场而发生的相互作用。再后来，1837年，英国科学家迈克尔·法拉第把电力线和磁力线的重要概念引入物理学，指出电和磁是通过其周围的“场”发生相互作用的。
　　在中学物理中，库仑定律处理的是两个静止点电荷之间的作用，它是通过其周围的电场发生的，电场力
　　F=qE，即静止的电荷周围只存在电场而没有磁场，电荷之间的作用不是超距的，且电荷及其电场还贮存了电场能；恒定电流周围存在磁场（因为通电导线是电中性的）；而运动的电荷周围既有电场又有磁场，电场只对电荷作用（不管运动与否），而磁场只对运动电荷（电流）作用，而不对静止电荷作用，有两个著名公式：①洛伦兹力
　　F=qv ×B；②安培力F=Il ×B。它们分别指出了磁场对运动电荷及电流的作用力。
　　1831年，法拉第发现了电磁感应现象，14年后的1845年，德国数学家诺依曼才明确定义了电动势的概念，并建立了电磁感应定律。从此，标志着电磁学的研究由先前的静止、稳恒，步入运动、变化的一般情形。1861年，英国物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦全面分析了电磁感应现象，并认为，即使没有导体回路，变化的磁场周围也会产生感应电场，有导体回路时，这个电场就在回路中产生感应电动势，从而激起感应电流；另外，变化的电场就相当于一种电流，会在其周围产生磁场。由此可见，电场和磁场是具有内在联系的相互
　　制约的统一体，并在特定情况下形成电磁场的传播——电磁波。1865年，他发表了震惊世界的《电磁场的动力学理论》论文，写出了麦克斯韦电磁场方程组。
　　在恒定电流电路中，由电源两极产生的电场和导线上电流产生的磁场的组合，并通过其电磁场的能流密度矢量
　　洛伦兹力公式涵盖了库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、安培力公式、法拉第电磁感应定律，并予以拓展，突破了前两者所受的静止或恒定条件的限制。
　　总而言之，麦克斯韦电磁场方程组和洛伦兹力公式是经典电磁理论的两大支柱，分别提示了电磁场运动变化规律和电磁作用的规律，构成了完整的理论体系，其地位相当于力学中的牛顿定律和热学中的热力学定律。
　　众所周知，正是对电磁现象的研究，才最终导致爱因斯坦发现了相对论，这可以从他于1905年发表的狭义相对论的标题得到证明。这篇文章的标题是《论动体的电动力学》。静止和运动都是相对的，当我们在场源电荷静止的参考系S内观测时，只能发现电场的存在。但当我们换一个参考系时，即在场源电荷q运动的参考系S′内观测时，则不但发现存在有电场，而且还有磁场。两种情况下，场源电荷都一样（而且具有相对论不变性），但电场和磁场的存在情况却不相同。这种由于运动的相对性，或者说由于从不同的参考系观测引起的不同，说明电场和磁场的相对性联系，或者说，电场和磁场具有相对性。
　　以上是笔者对电磁场的一些认识，不妥之处肯定难免，希望批评修正。
　　（责任编辑 易志毅）
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