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电磁理论与原子论之三

                        ——电磁波

志勰

〈一〉

电与磁的作用

1〉1820年,汉斯.克里蒂安.奥斯特在对哥本哈根的少数几个高年级学生所作的一次私人演讲中,观察到连着电池两极的一根导线会影响到它附近的一个磁体。自此,在科学史上拉开了电与磁奥秘的序幕。

    关于电与磁之间的实验基于此对应的描述,在物理课本中或者相关的著作中〈如:电磁通论〉都以给出了详细的说明。在本篇中,我仅对从一个新的角度来看待电与磁间转化现象作一说明。本文的重点在于探讨与电磁波有关的作用形式。

    不论是采用电流还是采用电荷运动的形式产生磁的作用,其间必然存在相对运动的形式。即:如果磁场是相对于某一惯性系而言,那么,产生这一磁场的电荷必然相对于这一惯性系存在与静止物体不同的运动状态。或者如果电荷相对于某一惯性参照系静止的,那么相对于其它惯性参照系,会产生相对于这一惯性参照系空间的一点的一瞬时磁场。如果仅涉及到两个惯性参照系,并且如果产生这一磁场的电荷是一孤立的电荷,那么,这一磁场相对于这一惯性参照系来说,只能是瞬时的。另一方面,在实验观测中磁场的方向与电荷运动的方向有这样一个特点,两个方向必然是一垂直的方向。

    跳跃于两种参照系间的描述或许让您感到理解上的困难,但这样会对以后的理解存在它的优点。

2〉采用电的作用力线对其解释的看法

    在电的作用中我曾引进了电的作用力线这一概念,这一概念同电力线相比较,它的不同之处在于:电力线是描述电场强弱和方向的假想曲线,电力线的切线方向与该点的电场方向一致;电力线的疏密程度与该点的电场强度成正比。而电的作用力线则是为了描述看不见的电荷间的相互作用,而采用的一种相互作用模式。它表示相互作用的真实。电的作用力线从某种意义上来讲,它来源于对电场间相互作用的一个规律——叠加原理的分解。在电荷间线度比大于104数量级范围,电力线和电的作用力线两种描述方法,其结果是等效的。

    对于非孤立电荷,尤其是大量电荷间的相互作用,电的作用力线的描述方式就显得过于繁琐了,但电的作用力线的描述方法仍然适用。这需要将当个电荷的作用力线依据叠加原理的方法合成就可以了。下面,我们就采用电的作用力线的描述方法来看一下电与磁间的作用。

   电的作用对电磁现象有影响的是库仑定律,它建立了电荷间相互作用的一种在空间分布的数量关系。电流是由电荷构成的,或者严格的说,电流是由带负电的电子构成的,我们将电流看作电子大量定向移动构成的,并通过电子的电的作用力线对外界的作用,完成电流对空间作用的分析。

    通电导线产生的磁场其方向与电流的方向垂直,导线外某一点的电场强度遵守平方反比定律的数量间的规律。

    如果我们采用电的作用力线对此进行描述,我们将看到,这将仍然成立。但在于电荷静止作用力线相比较,运动的电的作用力线会产生一种新的作用,它的性质不同于电的作用力线,通常我们把它叫做磁场。这里我仍把它当作一个新的概念引入,姑且把它叫做磁的作用力线。

    我们将电的作用力线看作电荷或者带电粒子或者具有这种属性的粒子对外界存在的一种真实的作用,它必然有一具体的作用形式。相对于惯性参照系相对静止的带电粒子,相对于这一惯性参照系,它和外界空间的相互作用满足于《电的作用》中电的作用力线的描述。

    如果这一粒子相对于某一惯性参照系存在确定的速度。相对于它自身的参照系,粒子本身的属性不会有任何的改变。相对于存在确定速度的这一惯性参照系而言,经验事实说明,在垂直运动方向存在除电荷本身属性以外的其它作用形式。两种参照系两种存在状态的比较,我们不难发现,在两种存在状态或两种参照系之间,粒子会在空间的相互作用上会存在不同的属性。对于认识物质间作用形式本身,这一不同在相互作用过程中是如何产生的,这是首要的问题。

    不同惯性系间会产生磁场,这只是针对不同惯性系静止物体之间的相互作用而言。由产生磁场的参照系产生的磁场,对粒子本身的参照系并不存在。我们完全有理由将之归属到不同参照系间粒子作用的形式上,磁场本身并不是新鲜的东西,而是不同惯性参照系间静止带电粒子间的一种相互作用方式。

    在带电粒子上,假设电的作用力线的存在,在带电粒子的运动过程中〈带电粒子不同的存在状态〉这种作用力线又会如何呢?对此我们不能得到作用力线的具体的作用形式,我们只能根据经验事实进行可能性的猜测。

           1、带电粒子的运动必然使作用力线随之运动,在电荷上任一作用力线任一点上,除了对带电体产生原有的作用外,还会产生磁的作用力线。根据静电场对带电粒子的加速过程来看,如果不涉及磁的作用力线对其它物体的作用,磁的作用力线的产生并不影响带电粒子原有的电的作用力线对其它带电体的作用形式,这一经验事实至少在沿电荷运动的方向上成立。

          2、带电粒子的运动相对于原惯性参照系或与粒子不同的参照系 ,只是在沿运动竖直的方向产生磁场。在某一点产生磁场的强度同该点粒子的电场强度成正比。

    根据如上两点,将磁的作用力线的产生归因于电的作用力线沿它产生的磁场的竖直方向运动是合适的。这是一种新的作用形式,我们不能否认还有其它形式产生这种作用的可能性。因为这只是我们根据这种产生磁的作用形式而作的判断。

3〉电磁感应

    上一节我们探讨了电流以及运动的电荷产生的磁场,这一节将采用新的概念来对电磁感应现象做出进一步的解释。

    关于电磁感应的实验这里将不再重述,您可参阅物理课本及有关的著作,这里仅对规律性的东西作统一的解释或者说寻找更普遍的规律,并对定律作一些本质上的说明、合理的修正。

    “对于闭合导线切割磁场,通常如下描述:当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,回路中就产生感生电流;当穿过导体回路的磁通量发生变化时,回路中就产生感应电动势。”

    在这一描述中,一个关键的现象是闭合回路中的磁通量发生变化,在这一过程中,如果磁场作为一个不变的物体,如果是由导线引起磁通量变化,则必然存在导线在磁场中运动。在上一节中我们知道运动的电荷或者电流产生的磁场与磁体产生的磁场是等效的,导线相对于磁场参照系运动,只要磁场和参照系存在不同的状态,则磁场必然对导线中的电荷产生作用力,如果导线是切割磁力线,则磁场给予导线中的电荷作用力也必然沿导线某一确定的方向运动,这样就产生电流和电势。

    另一个对此描述的规律是愣次定律:闭合回路中感生电流的方向,总是使得它所激发的磁场来阻止感应电流的磁通量的变化<增加或减少>。

    这一定律主要用于电磁感应线圈间感生电流的判断,如果导线不是在磁场中切割磁力线,而是通过激发磁场的电流的变化或者磁场的变化,而使感应电流发生变化,这和闭合导线切割磁力线是等效的。

    从另一原理上来对这一问题进行解释如下:如果一个同心轴相同绕向的两个电磁线圈,我们给其中一个电磁线圈通一瞬间的电流,在这通电线圈中必然产生一瞬时的磁场,这一瞬时磁场的变化必然要对另一个线圈导线中的电荷产生作用力,并使自由电荷运动,根据牛顿第三运动定律,这两个力必然大小相等。这样的表达和愣次定律的表达具有等效性。

    在如上对电磁感应现象的描述中,愣次定律以及与此相关的描述都未曾解释其中一个现象,即:在电磁感应现象中,必然通过变化的电流或者变化的磁场,感应现象才能发生。在恒定状态下则不能发生。在传统的方法中,只是将其作为一个经验事实的约定,或者通过实验来确定的经验事实。下面,我们就来探讨这一事实。

4〉电流间运动电荷间的作用

       一根通电导线会在它周围空间产生一个磁场,并且的方向垂直于导线。或者更严密的说,磁场的方向垂直与产生这一磁场的电流的方向。如果通过导线的电流是稳定的,那么其产生的磁场也将是稳定的。如果我们换过来,即:建立一个磁场,和一跟通电直导线产生的磁场一模一样的磁场,在在磁场中放置一根导线,然而这一导线中并没有稳定的电流产生。

    如上的方法在实践的过程中会存在一些困难,这来源于我们所采用所采用的方法,若一根电线所产生的磁场严格遵循将检验的导线位于产生磁场导线的位置。这是不能做到的事情。但是我们可以改便条件,将两根直导线并行绕成螺旋线圈。这样给一根导线通一电流,它所产生的磁场和给另一根导线通一电流所产生的磁场是完全等效的。用这一装置去检验稳定的磁场产生电流的结果,其结果并没有稳定电流的产生。

    对此我们不能采用简单的有因必有果,有果必有因来对这一物理事件进行说明。传统的解释都是建立在经验事实之上,仅把它作为一个经验事实的规律。

    采用电的作用力线对这一事实进行分析,将有如下的作用形式:

      1、采用一根直导线作为通电导线,在通电过程中是恒定的,则运动的电荷之间会存在电的作用,她禁烟导线竖直的方向,则运动的电荷相当于相同的参照系。而通电螺旋管中的电荷则不是这样 ,由于导线是螺旋状的,导线任意点的运动电荷都会对导线中其它运动的电荷产生电的作用,并且处在不同的惯性参照系,电的作用的角度并非通电直导线中的电荷的作用,仅限于运动方向。对于单层的电磁线圈,运动电荷间的相互作用的角度从零度到一百八十度不等。〈如果给予运动电荷建立坐标〉

     探讨导线中运动电荷的作用形式,可以发现这样一件事情,如果导线中的电荷要维持某一种运动状态,运动电荷间点的相互作用会使运动电荷起到这种作用,并且电磁线圈中的这种效果在电的作用中是最好的。

      2、导线中运动的电流会在它周围的空间中产生垂直于导线运动方向的磁场。磁场会对运动的电荷产生作用力。通电直导线产生的磁场方向垂直于直导线〈垂直于导线中的电荷的运动方向〉导线中运动电荷产生的磁场不会对导线中其它运动的电荷产生作用力。而螺旋线圈中的电流则不同了,任意点电荷所产生的磁场都和导线其它点相交,换句话说任意点运动电荷产生的磁场都和导线中其它点运动的电荷产生的相互作用〈不包括和这一点电流方向平行点的运动的电荷〉         

      正是由于这种相互作用,整个线圈在电流变化过程中会趋于一种较为稳定的变化,或者说线圈有维护它本身运动电荷存在状态的属性。

5〉通电导线中运动的电荷对导线外其它电荷的作用。〈采用单位力线的方法〉

    同一惯性参照系中两个静止的电荷仅存在静电力,或者说电力的作用,只用当其中一个点和发生相对于某一参照系的运动时,它才会在相对的参照系在它周围空间中产生磁场,才可能存在其它形式的作用。

    这里,我们仍以通电导线为例,来看一下这种作用。

      假设空间中存在两根通电直导线。如图:

dcp1.gif (1965 字节)

    如果我们给AB导线在A端接直流电源的正极,在B端接直流电源的负极,给导线AB通电后,导线AB任意点都会对导线A'B'产生一磁场.磁场的方向穿出纸面。在通电过程中,导线AB电流从零到某一定值,同时,这一过程也会是电流产生的磁场在空间中的分布状态从零到某一状态,磁场强度在空间中的分布规律等价于某一瞬时在导线AB中运动的电荷在静止时电场强度在空间中的分布规律。

    导线中任一点磁的作用力线发生变化,必然会对导线中这一点自由电荷产生作用力,自由点荷必对其产生反作用力,并在作用力的作用下向B' 端运动,致使B’端正电荷密度略大于A'端电荷密度,形成电势差。

    如果作用在A'B'端的电磁场不发生变化,那么,这一磁场将不会对A'B'中的电荷产生作用力,A'B'中的自由电荷就不会发生存在状态的变化。如果将导线A'B'两端用一根导线连接,重复这一通电过程,我们将看到这将相当于两根A'B'导线,根据受力分析,A'B'端只能产生电势差,不会形成闭合回路中的电流。

    如果我们要保持A'B'导线中有电流流动,则必须在AB导线上通一变化的电流。并且我们施加在AB导线中的电流变化越大,在A'B'间产生的电势差变化也越大。

    如上的分析与传统物理学中的看法是等效的。

6〉通电导线中的电荷对导线外其它电荷作用的能量计量

    我们曾采用磁的作用力线来表示磁场,并且在表示磁场强度上和磁力线的表示结果具有等效性。

    假设导线AB产生的磁场作用在A'B'上一点的一个自由电荷上的磁场强度为一个单位.如果单位时间内施加在导线 A'B'上一点的一个自由电荷的磁场强度变化为一个单位,那么单位时间内施加在这一自由电荷上的磁的作用力线变化密度为一个单位。如果单位时间施加在导线A'B'上一点的这个自由电荷的磁场强度为两个单位,那么单位时间内施加在这一自由电荷的磁的作用力线的变化密度就为两个单位。从这个作用在导线A'B'   上一点自由电荷上磁场强度变化规律,我们可以得到,作用在A'B'上自由电荷上的磁场强度变化速度同自由电荷因此受到的作用力成正比。

    我们知道单位电荷在匀强磁场中受到的作用力同电势差成正比,那么我们也同样有理由判断,在导线A'B' 中一个自由电荷受到的大一倍的作用力,其在A'B' 两端形成的电势差为原电势差的一倍,同时导线A'B'这一D电流也要比原电流大一倍。那么向A'B' 两端移动的电能就要比原电能达4倍,根据C=Q/U 这一电容公式也可以得出这个结论〉

    这样,我们就得到导体中自由电荷在变化磁场中所得到的能量同磁场变化率的平方成正比。

    我们将这一结论推广,我们就可以得到电磁波给于具有自由电荷的导体的能量同它的频率的平方成正比。〈电磁波的频率同磁场变化率成正比〉

7〉自由电荷所引发的电磁波的计量

   一根电流给与孤立电荷的能量的计算方法,是采用何种形式进行计量是很重要的。孤立电荷受到的作用力同作用在它身上的磁场强度变化率成正比。同时,所产生的运动状态的变化同它受到的作用力成正比。目前能量的单位反映在物质运动的变化上有两种单位:

    一种能量单位的存在形式是物体的能量同物体受到的作用力与作用距离的乘积。与此对应的能量形式是物体的动能等价于物体的质量与物体运动速度的平方乘积的二分之一。

    另一种能量单位是功率的单位,也是我建议作为能量的单位即动量或冲量的形式——物体获得的能量同它受到的作用力和作用时间的乘积成正比。反映在物体的存在状态上是物体具有的能量等价于物体的速度和物体质量的乘积。

    电磁波给与自由电荷的作用采用作用力与作用时间的乘积是合理的,在电磁场间的作用中,对电荷运动状态起作用的是电磁场给与电荷作用的作用力和作用时间。另一方面,不论电荷处于何种状态,电荷采用作用力和作用时间都可以表示电荷存在状态的变化,电荷所接受的能量仅依赖于电荷初终两种状态之差。这样是有利于对基本电荷进行描述的。

    采用动能的概念 即第一者。我们必须确切知道自由电荷在运动变化过程中相对于静止参照系的初终两种状态,这样的描述在实际应用中是很不方便的。

8〉一个值得注意的问题

    在本文中,电磁波的能量针对于不同的对象,存在两种作用关系:

         一种是电磁波和导体间相互作用,其关系是电磁波的电场变化率或磁场变化率的平方同在导体中产生的电势能成正比。

         另一种是电磁波和孤立电荷间的相互作用,其关系是电磁波的电场变化率或磁场变化率同电荷受到的作用力成正比。

  如上两种关系是是根据导线中的变化的电流对外界的作用所得出的结论。两种关系中,一种是产生的电流,另一种是电荷得到的动能。即使我们将这两种关系变换成同样的表达形式,仍然会存在两种不同的关系,这是由不同的作用形式所形成的。

 

2000年2月14日