電磁場(chǎng)特性的剖析

王貴文

（呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

電磁場(chǎng)特性的剖析

王貴文

（呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

電磁場(chǎng)的物質(zhì)特性是整個(gè)電磁學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的基本問題，這一概念的闡述是教學(xué)過程的難點(diǎn).本文從電磁學(xué)內(nèi)容出發(fā)，闡述電磁場(chǎng)概念的建立，分析了電位移矢量在一般情況下不僅與自由電荷有關(guān)，還與極化電荷有關(guān)，并給出電位移矢量?jī)H與自由電荷有關(guān)的條件，以及極化電荷與介質(zhì)分布、電場(chǎng)方向的關(guān)系.

電磁場(chǎng)；電介質(zhì)；電位移；極化

1 電磁場(chǎng)的物質(zhì)性的引入

物質(zhì)的定義是：獨(dú)立存在于人的意識(shí)之外的客觀實(shí)際.把電磁場(chǎng)，特別是變化的電磁場(chǎng)（即電磁波）的廣泛應(yīng)用作為其客觀存在的依據(jù)，而定義電磁場(chǎng)為物質(zhì)，是滿足物質(zhì)定義的.但作為專門研究電磁現(xiàn)象和電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)——電磁學(xué)和電動(dòng)力學(xué)，是不能用這個(gè)簡(jiǎn)單的定義來定義電磁場(chǎng)的物質(zhì)性的，應(yīng)從物理的角度出發(fā)，根據(jù)電磁現(xiàn)象和電磁場(chǎng)的客觀表現(xiàn)，探究它的客觀屬性，進(jìn)而闡明它的物質(zhì)性，才能正確建立電磁場(chǎng)物質(zhì)性的概念.

2 麥克斯韋和洛倫茲的重大貢獻(xiàn)

通過對(duì)變化電磁場(chǎng)的研究，麥克斯韋總結(jié)出了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律：

3 磁場(chǎng)的能量和能流

對(duì)于電磁場(chǎng)能量的計(jì)算，是將能量轉(zhuǎn)換和守恒定律應(yīng)用到電磁現(xiàn)象中，依據(jù)麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式，從而得到電磁場(chǎng)能量的體密度w和總能量W：

4 麥克斯韋方程組的另一重要成果

這一成果是它指出時(shí)變電磁場(chǎng)具有波動(dòng)性——即麥克斯韋方程組具有波動(dòng)的解，稱為電磁波.赫茲用實(shí)驗(yàn)首先證實(shí)了電磁波的存在，且電磁波在空間和介質(zhì)中以光速傳播，因此變化電磁場(chǎng)的能量還在流動(dòng)，用能流密度表示：

在穩(wěn)恒電流情況下，人們沒有重視能量在場(chǎng)中傳播的事實(shí).實(shí)際上這種情況下能量也是由電磁場(chǎng)傳播的，導(dǎo)線中的電流和周圍空間（或介質(zhì)中）的電磁場(chǎng)相互制約，使電磁能量在導(dǎo)線附近的電磁場(chǎng)中沿一定方向傳播.在傳輸過程中，小部分能量進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)部變成焦?fàn)枱岫鴵p耗；大部分能量流入負(fù)載內(nèi)，供負(fù)載消耗所用.在時(shí)變場(chǎng)中，是磁波的廣泛應(yīng)用是人人皆知的事實(shí)，進(jìn)而從理論到實(shí)踐闡述了電磁場(chǎng)物質(zhì)性概念的建立，加深了學(xué)生對(duì)這一概念的理解.近代物理的成果近代物理理論，進(jìn)一步推出電磁場(chǎng)具有質(zhì)量、動(dòng)量等性質(zhì)，也被實(shí)驗(yàn)證實(shí).這無疑對(duì)電磁場(chǎng)的物質(zhì)性又是有利的證明.總之，從現(xiàn)在來看，電磁場(chǎng)具有一切物質(zhì)所具有的重要特性.但也必須明白，它與通常由電子、質(zhì)子、中子等基本粒子所構(gòu)成的實(shí)物物質(zhì)還是有一些差別的：

⑴電磁場(chǎng)的基本組成部分是光子，光子沒有靜止質(zhì)量，而電子、質(zhì)子、中子等基本粒子卻肯有靜止質(zhì)量.

⑵電磁場(chǎng)以波的形式在空間傳播，而以粒子的形式和實(shí)物相互作用.

⑶實(shí)物的微粒所占據(jù)的空間不能同時(shí)為另一個(gè)微粒所占據(jù)——具有不可入性；但多個(gè)電磁場(chǎng)可以相互迭加，占據(jù)同一空間——具有可入性.

⑷實(shí)物可以以任意速度（極限為C）在空間運(yùn)動(dòng)，其速度相對(duì)于不同的參照系也不同；但電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度永遠(yuǎn)是等于光速，且其傳播速度在任何慣性參照系中都相同.

實(shí)物和電磁場(chǎng)雖有差別，但在一定條件下可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，如一對(duì)正、負(fù)電子對(duì)可以轉(zhuǎn)化為光子；而光子也可以轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子對(duì).由此可見，就物質(zhì)性而言，實(shí)物和場(chǎng)沒有嚴(yán)格的區(qū)別.按照現(xiàn)代物理觀點(diǎn)，粒子（實(shí)物）和場(chǎng)都是物質(zhì)存在的形式，它們分別從不同的角度反映了客觀實(shí)在.同一事物可反映出場(chǎng)和粒子兩個(gè)方面的特性.而在現(xiàn)代量子理論中，場(chǎng)和粒子在反映同一事物的兩個(gè)方面得到了辯證統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).

高斯定理普遍適用于任何靜電場(chǎng)中，其數(shù)學(xué)表示為：

（1）電位移矢量一般情況下不僅與自由電荷有關(guān)，而且還與極化電荷有關(guān)；

（3）在均勻介質(zhì)中，只有在自由電荷分布的地方才有極化電荷；

（4）在電場(chǎng)方向上介質(zhì)有不均勻性，必有極化電荷出現(xiàn)；

（5）在垂直于電場(chǎng)方向上介質(zhì)有不均勻性，但沒有極化電荷出現(xiàn).

〔1〕梁燦彬.電磁學(xué)[M].北京.人民教育出版社，1980.

〔2〕郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué)[M].北京.高等教育出版社，1997.

〔3〕肖冬萍，田強(qiáng).電介質(zhì)的極化機(jī)制與介電常量的分析[J].大學(xué)物理，2001，69（9）：16-19.

〔4〕趙佳，田曉岑.關(guān)于靜電體系總能量和相互作用能得幾點(diǎn)討論[J].2001，69（3）：21-23.

TU317

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