我所認識的電磁場

晉興強

從人類認識自然的進程來看，電學和磁學開始是各自獨立的?！半姟弊钤缭诠畔ＥD時期發(fā)現(xiàn)，因被摩擦過的琥珀具有吸引羽毛等輕小物體的特性，而認識“電”。東漢王充著作《論衡·亂龍》中也有“頓牟掇芥，磁石引針，皆以其真是，不假他類”的描述。頓牟即琥珀；芥指芥菜子，統(tǒng)喻干草、紙屑等的微小屑末。掇芥的意思是吸引芥子之類的輕小物體。不過，其中“磁石引針”的記載屬于當時世界上比較早的。當然，全面研究磁的第一人還是英國人威廉·吉爾伯特，1600年，他的專著《論磁，磁體和地球作為一個巨大的磁體》，第一次使磁學由經(jīng)驗轉為科學。頓牟掇芥也好，磁石引針也罷，它們之間都是非接觸性的相互作用。但是到了1820年，丹麥科學家漢斯·奧斯特在實驗中發(fā)現(xiàn)電流對磁針的作用，顛覆了人們已有的認識。記錄到的實驗現(xiàn)象是“在自由懸掛著的磁針上方，由北向南流動的伽伐尼電，把磁針的北端推向東，而在相同方向上，在磁針下面流過的伽伐尼電，把磁針的北端推向西”。從而第一次無可爭辯地將電與磁聯(lián)系到一起。緊接著，同一年，法國科學家畢奧和薩伐爾根據(jù)對電流的磁作用的實驗結果得到了（恒定）電流元產(chǎn)生的磁場和該電流元的關系定律。后來，也是同一年，法國科學家安德烈·瑪麗·安培前瞻性地認為，運動的電荷（電流）產(chǎn)生磁場，磁場對運動的電荷（電流）有磁場力的作用，所有的磁現(xiàn)象都可以歸為運動電荷（電流）通過磁場而發(fā)生的相互作用。再后來，1837年，英國科學家邁克爾·法拉第把電力線和磁力線的重要概念引入物理學，指出電和磁是通過其周圍的“場”發(fā)生相互作用的。

在中學物理中，庫侖定律處理的是兩個靜止點電荷之間的作用，它是通過其周圍的電場發(fā)生的，電場力

F=qE，即靜止的電荷周圍只存在電場而沒有磁場，電荷之間的作用不是超距的，且電荷及其電場還貯存了電場能；恒定電流周圍存在磁場（因為通電導線是電中性的）；而運動的電荷周圍既有電場又有磁場，電場只對電荷作用（不管運動與否），而磁場只對運動電荷（電流）作用，而不對靜止電荷作用，有兩個著名公式：①洛倫茲力

F=qv ×B；②安培力F=Il ×B。它們分別指出了磁場對運動電荷及電流的作用力。

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，14年后的1845年，德國數(shù)學家諾依曼才明確定義了電動勢的概念，并建立了電磁感應定律。從此，標志著電磁學的研究由先前的靜止、穩(wěn)恒，步入運動、變化的一般情形。1861年，英國物理學家詹姆士·克拉克·麥克斯韋全面分析了電磁感應現(xiàn)象，并認為，即使沒有導體回路，變化的磁場周圍也會產(chǎn)生感應電場，有導體回路時，這個電場就在回路中產(chǎn)生感應電動勢，從而激起感應電流；另外，變化的電場就相當于一種電流，會在其周圍產(chǎn)生磁場。由此可見，電場和磁場是具有內(nèi)在聯(lián)系的相互

制約的統(tǒng)一體，并在特定情況下形成電磁場的傳播——電磁波。1865年，他發(fā)表了震驚世界的《電磁場的動力學理論》論文，寫出了麥克斯韋電磁場方程組。

在恒定電流電路中，由電源兩極產(chǎn)生的電場和導線上電流產(chǎn)生的磁場的組合，并通過其電磁場的能流密度矢量

洛倫茲力公式涵蓋了庫侖定律、畢奧-薩伐爾定律、安培力公式、法拉第電磁感應定律，并予以拓展，突破了前兩者所受的靜止或恒定條件的限制。

總而言之，麥克斯韋電磁場方程組和洛倫茲力公式是經(jīng)典電磁理論的兩大支柱，分別提示了電磁場運動變化規(guī)律和電磁作用的規(guī)律，構成了完整的理論體系，其地位相當于力學中的牛頓定律和熱學中的熱力學定律。

眾所周知，正是對電磁現(xiàn)象的研究，才最終導致愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了相對論，這可以從他于1905年發(fā)表的狹義相對論的標題得到證明。這篇文章的標題是《論動體的電動力學》。靜止和運動都是相對的，當我們在場源電荷靜止的參考系S內(nèi)觀測時，只能發(fā)現(xiàn)電場的存在。但當我們換一個參考系時，即在場源電荷q運動的參考系S′內(nèi)觀測時，則不但發(fā)現(xiàn)存在有電場，而且還有磁場。兩種情況下，場源電荷都一樣（而且具有相對論不變性），但電場和磁場的存在情況卻不相同。這種由于運動的相對性，或者說由于從不同的參考系觀測引起的不同，說明電場和磁場的相對性聯(lián)系，或者說，電場和磁場具有相對性。

以上是筆者對電磁場的一些認識，不妥之處肯定難免，希望批評修正。

（責任編輯 易志毅）