康勇

摘 要：電磁場在物質(zhì)世界中發(fā)揮重要作用。在生產(chǎn)領(lǐng)域、科技領(lǐng)域中，很多問題都與電磁場存在密切聯(lián)系。電荷在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生電流，運(yùn)動狀態(tài)不均勻、變化較快的電流會生成輻射磁場。對恒定電流而言，長電直導(dǎo)線附近只有穩(wěn)定磁場，而無電場，變化的電流則會生成紊亂的磁場，此種磁場又能產(chǎn)生電磁感應(yīng)。因此，電場和磁場會相互作用產(chǎn)生電磁波。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué) 運(yùn)動電荷 電場 磁場

中圖分類號：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0060-02

電磁學(xué)是物理學(xué)的重要分支，研究電和磁的相互作用表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象。分析近代物理學(xué)理論，磁現(xiàn)象產(chǎn)生于運(yùn)動電荷。電流具備磁效應(yīng)，磁場也有電效應(yīng)，從現(xiàn)象層面說明電場與磁場之間存在聯(lián)系。實際上，在電磁場處于不同參考系時，就會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，這些差異導(dǎo)致電場與磁場的產(chǎn)生，表明電場與磁場均屬于電磁場在不同參考系下的兩種表現(xiàn)形式。

1 電場與磁場分析

1.1 電場

電場是電荷變化和磁場附近存在的特殊物質(zhì)，此種物質(zhì)與通常意義的物質(zhì)不同，并非由分子、原子等粒子構(gòu)成，但可以通過很多現(xiàn)象和證據(jù)證明其存在。研究表明，電場和一般物質(zhì)在力、能量等方面表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。但兩者也存在不同之處：進(jìn)入電場中的電荷會受到電場的作用，產(chǎn)生電場力。如果電荷在電場中發(fā)生位移，則表明電場力對電荷做功。電場屬于矢量場，具體方向和正電荷受到作用力的方向一致。

1.2 磁場

能生成磁力的空間存在磁場，也是特殊形態(tài)的物質(zhì)。磁體附近存在磁場，磁場是磁體彼此產(chǎn)生作用力的媒介。磁體之所以能產(chǎn)生磁性，主要是在電流的作用下實現(xiàn)的。即磁場來源于運(yùn)動電荷、變化磁場。磁場存在的基本特性就是對場內(nèi)的運(yùn)動電荷施加影響，其對磁體和電流施加的作用力就是如此產(chǎn)生[1]。

2 電磁學(xué)體系下運(yùn)動電荷電場與磁場存在的關(guān)系

2.1 研究歷程

以前，人們認(rèn)為磁與電各自獨立，不存在關(guān)聯(lián)。麥克斯韋研究出的電磁理論，促使電場與磁場統(tǒng)一在一個理論體系之下，從宏觀角度解釋了一切電場、磁場現(xiàn)象。更重要的是，其也將光學(xué)理論納入到這個理論體系之下，對人們認(rèn)識客觀世界產(chǎn)生重要影響。電磁學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)存在較為密切的關(guān)聯(lián)，在內(nèi)容和原則上并不存在差別[2]。前者側(cè)重研究電磁情況，后者則更注重理論。在麥克斯韋發(fā)布《電磁論》之后，由于理論過于艱澀，且無法在當(dāng)時的條件下得到實驗的證明，因而在較長一段時間內(nèi)沒有受到應(yīng)有關(guān)注[3]。1885年，赫茲在一次實驗中發(fā)現(xiàn)，將一束電流輸入到線圈之后，次級繞組的兩側(cè)就會產(chǎn)生電火花，當(dāng)時認(rèn)為這屬于電磁共振。于是在次年設(shè)計了一個感應(yīng)器，放置在直線振蕩器周圍，利用電流造成間隙出現(xiàn)火花，此種情況就是電磁波的產(chǎn)生與傳遞現(xiàn)象。隨后，赫茲通過一系列實驗證明電場與磁場的真實存在，從實證角度證明麥克斯韋理論的科學(xué)性，至此，麥克斯韋的電磁理論在世界范圍內(nèi)引起轟動。

2.2 電場與磁場的理論聯(lián)系

兩者都是矢量場，均有大小與方向。但電場存在源場，具體而言，散度不是0，磁場則沒有源場，散度是0。在電場中，沒有處于閉合狀態(tài)的電場線，屬于無旋場。磁場中的磁場線則總是處于閉合狀態(tài)，存在旋場。對磁感應(yīng)強(qiáng)度而言，其與電場強(qiáng)度相比而言，兩者均是使用比值方式進(jìn)行定義的物理量，均能對場的強(qiáng)弱與方向進(jìn)行表示。前者只有在將一段通電導(dǎo)線以90°放進(jìn)磁場之中時才能順利得到應(yīng)用，導(dǎo)線在磁場中沒有受到磁力的影響，并不代表沒有強(qiáng)度。因為此種情況還可能是因為導(dǎo)線和磁場保持平行狀態(tài)導(dǎo)致的。對同一個導(dǎo)線而言，在勻強(qiáng)磁場中的不同方向時均會表現(xiàn)出不同的磁場力。電荷在沒受到電磁力影響時，電場強(qiáng)度為0，一個電荷處于勻強(qiáng)電場時，承受的電場力屬于恒力。對磁感線而言，其與電場線均是研究人員為了直觀地研究兩種場而假設(shè)存在的曲線，在現(xiàn)實中并不存在，但可在實驗中借助技術(shù)手段對其進(jìn)行模擬，兩種線的疏密程度都會對場的程度進(jìn)行描述。但是兩者存在明顯的差別，前者處于閉合狀態(tài)， 后者則屬于非閉合曲線。安培定律主要用于判定電流方向，能實現(xiàn)對磁感線的判定。在此理論中，電流是理論產(chǎn)生的源頭，引發(fā)后續(xù)結(jié)果的是磁感線。此理論中的電流包括直線和圓環(huán)兩種形式。左手定律則是對電流、運(yùn)動電荷在受到外部磁場影響時，表現(xiàn)出的電流方向、磁場方向以及作用力方向的一種理論。安培力是一種磁場力，洛倫茲力也具備此種性質(zhì)，導(dǎo)體中的全部電荷在受到洛倫茲力影響后直接對導(dǎo)體產(chǎn)生影響，表現(xiàn)出的就是安培力，安培力也就是洛倫茲力在宏觀角度上的體現(xiàn)。兩種力的方向均可利用左手定律進(jìn)行判定，在對安培力進(jìn)行分析時，4根手指順著電流方向擺放，對洛倫茲力進(jìn)行判定時，4根手指則順著正電荷的前行方向擺放，在能確定負(fù)電荷運(yùn)動方向的情況下，也可將4根手指順著其反方向進(jìn)行擺放。對洛倫茲力而言，受到影響的對象是運(yùn)動電荷，并未對運(yùn)動電荷發(fā)揮做功作用。安培力的影響對象則是出于通電狀態(tài)的導(dǎo)體，且能對導(dǎo)體做功。

2.3 電場與磁場的關(guān)系

為了研究便利，此次研究以運(yùn)動電荷對導(dǎo)體產(chǎn)生圓環(huán)運(yùn)動為例，分析產(chǎn)生于運(yùn)動電荷的電場與磁場之間的根本聯(lián)系。當(dāng)點電荷以一定速度圍繞圓環(huán)形的導(dǎo)體進(jìn)行運(yùn)動時，在各種參考系下，電場和磁場的強(qiáng)度均會有不同表現(xiàn)，如果以圓環(huán)為慣性參考系，這個參考系可以對電場產(chǎn)生感應(yīng)，也必然會感應(yīng)到磁場。因為，在電場運(yùn)動時，產(chǎn)生的電流能形成磁場。如果將點電荷所在的參考系作為慣性參考系，圓環(huán)的運(yùn)動方向則為左，此參考系只能感應(yīng)到靜電場，無法感應(yīng)到磁場。由于麥克斯韋方程能在任何慣性下發(fā)揮作用。因此，在圓形參考系下要符合高斯定理的要求。但此處需要注意，處于此參考系下的電場在時間推移的情況下不斷發(fā)生改變，因此選定適當(dāng)時機(jī)使用高斯定理，通過一系列計算后發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)參考系雖然能對磁場產(chǎn)生感應(yīng)，但并未處于完全獨立的狀態(tài)，這種情況和此參考系能感應(yīng)到電場有關(guān)。因此，不管是點電荷運(yùn)動，還是圓環(huán)運(yùn)動，具體表現(xiàn)存在差異均是由于參考系不同，根據(jù)相對性原理，可以判定以上研究的兩種情況沒有本質(zhì)性的差異?？梢耘卸c電荷必然沒有感應(yīng)到磁場，圓環(huán)參考系則必定感應(yīng)到磁場，則可確定的磁場是否為0僅是在相對意義層面而言。進(jìn)一步表明電場與磁場在本質(zhì)上屬于同一客體（也就是電磁場）處于兩種參考系下表現(xiàn)出的兩種不同形式的反應(yīng)。此研究的例子能在電磁學(xué)的理論體系下從根本上揭示電場和磁場存在的聯(lián)系，也證實電磁場具有相對性。實際上，電與磁能互相轉(zhuǎn)化僅能說明兩種方程能實現(xiàn)相互耦合，并不能說明兩者能統(tǒng)一于同一物質(zhì)體系下。但是經(jīng)過此次研究論證，此種觀點得到證實。

3 結(jié)語

電場與磁場的聯(lián)系是人類歷史上的重大發(fā)現(xiàn)，徹底改變了電與磁彼此孤立的局面，為很多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明創(chuàng)造良好條件。經(jīng)過實際驗證發(fā)現(xiàn)，電場與磁場實際上是電磁場在各自參考系下出現(xiàn)的兩種反應(yīng)，深刻揭示了電場與磁場的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦哲，胡艷敏.靜電場和靜磁場的對稱性和不變性分析[J].教育教學(xué)論壇，2015，25（48）：137-138.

[2] 潘長寧，何軍，周昕.“電磁場與電磁波”與“大學(xué)物理·電磁學(xué)”教學(xué)銜接問題的探討[J].教育教學(xué)論壇，2015，16（3）：159-160.

[3] 谷建生，魏環(huán)，李宏，等.大學(xué)物理教學(xué)中不應(yīng)忽視電磁學(xué)與狹義相對論的內(nèi)在聯(lián)系[J].物理與工程，2014，24（2）：51-53.