波的实用描述(上)

志勰

采用作用的模式对波动现象进行描述,一个非常重要的事实就是所有的波动现象的作用传递过程,都可以采用直线传播来描述


一、引言

       物质运动并且对外提供作用存在两种运动模式,一种模式是物体本身在运动,通过物质自身所具有的动量通过碰撞摩擦模式将作用传递给其它的物体。另一种模式是物质将自身的动量(或者说作用)传递给它周围的物质,它周围的物质再将这种作用传递给它周围的物质,这样依次传递下去,通过介质对作用的传递来完成这种运动。如图:图中所画的是波的一个作用传递过程,可以看作波的一个作用点的传递过程。

bdshymsh-1.gif (2410 字节)

前者通常叫做物体的运动,后者则叫做介质中传递的波。

     不论是物体的运动还是介质中传递的波,它们都有一个共性。就是物质的运动并可以对外界提供作用。在对外界的作用上,它们的本质区别就在于一种是通过运动物体的本身对外界提供作用,另一种是通过介质的传递对外界提供作用。前者我们本文中不需要讨论,而仅讨论后者。

     在传统的描述过程中,我们通常描述一个作用源对外界介质所提供的所有的传递过程,而忽略掉任一个震动点的传递过程。这种描述规律通常叫做波的描述规律。那么,我们是不是必须将介质对作用的传递建立这样整体的描述规律之上呢?对于机械运动的简谐振动而言,这样的描述方法对于求解震动状态是非常方便的。我们只需要根据简谐振动的运动方程bdshymsh-2.gif (1182 字节)可以很方便的求解简谐振动的任一个状态。我们可以将它拿到符合简谐振动的电磁理论里或者其它的领域中去求解同类的问题。那么,这是不是说明采用波动方程就可以求解所有的介质对作用的传递呢?当然不是,因为并不是所有的介质对作用的传递都符合传统的波的传递特征。另一方面,采用波的描述方案是数学的描述方案,其出发的目的并不是物理的目的,物理的目的应该是以介质之间的作用作为研究的对象。以介质和物体间的作用规律及作用效果作为出发点,才是物理的根本。在物理学上,波动学的方法执掌了几个世纪,直到现在,物理学还限于这种所谓的数学完美描述中,而物理的内涵却非常可怜了,并且使介质间的传递迷惑在完美的数学描述中,甚至将物质本身的属性建立在波动性之上。(物质的波粒两像性)

     我们不能将所有的介质对作用的传递都建立相同的一个波动模式。也并不是所有的介质传递都具有周期性。另一方面,物理研究的目的需要物理所研究的内容,并更好的为科学服务,这些都是当今的科学所迫切希望的。

   下面我们就来看波动描述。

二、波动描述

1、简谐振动描述的物理意义

    在机械运动中,和机械波联系密切的物质运动当归简谐振动。简谐振动被看作为最简单、最基本的震动,所有的复杂震动都可以看作简单的几个或者复杂的多个简谐振动的合成。如图:

    图中是一个重物在光滑平面上一个作用力平衡状态附近的运动情况。图中o点为弹簧的平衡状态。当这个重物在水平弹簧方向受到非平衡作用力时,以o点为平衡点,重物的动能和弹簧的势能相互转化的过程。物体在平衡点动能最大,反之动能为零时,势能最大。

    采用牛顿第二运动定律去计算物体的加速度则得到物体运动状态的二阶常微分方程。

bdshymsh-4.gif (1230 字节)

bdshymsh-3.gif (3957 字节)

    其中ω2=k/m,k为弹簧的倔强系数。对这个方程求解则得到简谐振动方程bdshymsh-5.gif (1162 字节)。根据这个简谐振动方程则可以得到关于简谐振动的几个物理关系,分别是

  周期bdshymsh-6.gif (1027 字节),频率bdshymsh-7.gif (995 字节),园频率bdshymsh-8.gif (1021 字节)

  在数学上,我们通常将一个物体旋转一周当作旋转360度,并且为一个周期。从角度的计算上可以很方便的计算旋转角度和位置的关系。将园的计算方法引入到简谐振动中,对于求解实用的物理问题是方便的。但是,我们且不能认为这些数学的描述就是物理,而只能把它们当作物理的工具。周期2π/ω只是数学工具,在物理上所表示的含义则是物体在一个平衡点的往返运动。同样,初相位bdshymsh-9.gif (872 字节)也仅仅表示简谐振动物体最初的位置。它对应于物体到平衡点的相对位置。

  因此,简谐振动方程所描述的仅仅是物体从原点出发再回到原点的状态。

  在搞清楚描述简谐振动的物理含义之后,下面我们来看机械波。

2、机械波

(1)介质的问题

    所有的机械波都存在传递介质,没有传递介质的机械波是不可想象的。根据物质存在属性状态的不同,介质可以分为三类,即:固体、液体和气体。

(2)波的传递属性

  通常我们将机械波的传递属性划归成两类,一类是传递波的介质震动方向和波的传递方向垂直,这类波通常叫做横波。相类似的,传递波的介质震动方向和波的传递方向平行,这类波就叫做纵波。

  根据介质对波的传递性质不同,可以得到波的如下的属性:

  第一、通过自由质点碰撞进行传递的波是纵波,单纯的这类波的的传递介质是气体,如图:

  图中的小球表示的是正在无序运动的气体分子,我们通过一个物体给空气施加作用,比如铜锣、锣鼓等。铜锣或者锣鼓给在振动面上给空气分子施加动量,和铜锣、锣鼓阵东面碰撞的气体分子则产生周期运动的速度差异、空气压力的差异。关于这个问题可参见速度的问题之三————震动与波(下)中的声波一部分。

  气体分子通过弹性碰撞将这个周期性的速度差异通过不规则碰撞传递给其它的气体分子。

bdshymsh-11.gif (9991 字节)

因此,气体分子的振动(碰撞)方向总是和传递方向平行的。因此,通过空气分子的碰撞传递的声波只有纵波,而没有横波。

  单纯的纵波传递介质是物质的存在形式是纯粹的弹性碰撞存在形式,其主要的传递途径是通过气体分子的动量差异进行的传递。

  第二、通过摩擦力和动量传递的波,特征是既包括纵波也包括横波,纵波是主要的波。这类波的传递介质是液体。在液体的内部和表面又分成两种波,一种是液面波,形成液面波的形态机理是液体的重力和万有引力,导致传播的则是水的动量变化,是横波。另一种是液体波,通过液体的动量差异和液体的摩擦阻力传递的波,这种波即包括纵波也包括横波。形成纵波的是液体的动量差异。形成横波的则是液体的摩擦阻力。在液体波中,纵波是主要的波。横波则可以略而不计。在传统的物理学中,通常认为液体只能传递纵波,不能传递横波,后面我们要介绍。

  第三、通过动量的的挤压作用和剪切应力传递的波,特征是既包括纵波也包括横波,横波是主要的波。这类波的传递介质是固体。固体微观分子之间都存在确定的稳定性的作用。因此,施加给一个物体或者地面一个动量的时候,在施加力的方向上传递的波是纵波,垂直于施加力的方向传递的波则是横波。

(3)波的传递过程——波的直线传播性

 横波传递的物理过程

第一、简捷的横波传递

  我们先来看传统简捷的横波传递的物理过程,(抱歉,我在网上找的的这本大学物理学没有说明,这里未能著出该内容的出处,我想大学物理学的内容应该是同样的,可找任一本作为参考)如图:

介质一排质点每经过T/4的位置分布如图所示:

  当t=0时,所有的质点都在各自的平行位置上,此时质点1受到向上的作用力,就要开始向上运动。

  当t=T/4时,质点1达到震动的最大位移处,而引发的震动恰好传到质点三。

  当t=T/2时,质点1回到自己的平衡位置并向下运动,而引发的震动传递到质点5,此时质点三的运动状态和质点1的运动在t=T/4的运动状态相同。

  当t=3T/4时,质点1达到下方最大位移处,而引发的震动传递到质点7。

  当t=T时,质点1回到平衡位置,将要向上运动,其运动状态与t=0时相同,而引发运动传到质点9。

bdshymsh-10.gif (3675 字节)

    我们只要稍微注意一下上面的描述就可以发现,我们上面所描述的是坐标上一个点的质点状态,这个质点在一个时间周期里的运动过程,这个质点在一个时间周期里的震动规律就是这列波的震动规律。我们只要将这个质点的震动规律在时间的序列里横向移动,那么就可以展出这列波在介质中所有的状态。这样,我们可以很轻易的的到下面的结论:

  如果我们将1的位置作为震动源,那么我们只需要介质对1质点震动源的作用传递下去,就可以得到波的直线传播的结论。

  得到如上的结论,是基于作用的传递过程。在机械运动中,这个决定性的因素就是作用在传递过程中的动量或者冲量的属性。波的传递是由介质本身的属性所决定的,在波的传递过程中,只要介质的属性对波的传递不会发生改变,那么波的直线传播性就不会改变。在介质属性稳定的前提下,我们可以理解波的属性,在后面我们要讨论这个问题。

  关于这种传递模式的波,其传递波的介质是一维的,比如绳子。

  这种波的传递速度依赖于介质的柔软性能,或者说弹性。弹性越好的,其传递速度越快。

第二、水面波的传递

  另一个和上面讨论的波的传递相类似的是水面波,水面波的形成机理和一维的波是不同的。它的形成主要来自于两种原因:

  一种原因是平衡的结构。平衡结构的形成来自于水本身由于万有引力的作用,使水的本身具有向下的作用力。水是液体,本身具有流动性,在引力的作用下会形成一个平面。水平面就是水波上下震荡的平衡位置。因此,水面波是一种横波。

  另一种原因就是形成水面失衡的原因。可以通过一个动量,比如投掷一个石子。也可以通过一个冲量,只要要使水面摆脱水面的平衡位置就可以形成水面波。可参见速度的问题之二——震动与波(上)。

bdshymsh-12.gif (3882 字节)

  施加动量或者冲量的方式和大小,决定了波峰的大小,但是施加给水的冲量或者动量的方向,决定了波的传递方向。从介质的传递过程来看波的传递问题,那么水面波的传递仍然可以看作水介质对作用的直线传递。当然,不包括在非均匀介质面上的传播,比如水面存在物体。

  液面波的传递速度依赖于液体的粘滞系数,粘滞系数越小的液体,其传递速度越快。

纵波的传递

关于纵波传递的最简单的模式可参见前面简谐振动一部分。

第一、声波

  声波在空间与物质中的速度的问题之三 ————震动与波(下)中已经做过较为系统的讨论,可参见。这里主要讨论声波的传递速度和声波的可否判作直线传播性。同时,还要对速度的问题之三 ————震动与波(下)中没有讨论的个别问题做点补充。

bdshymsh-14.gif (3885 字节)

声波的速度和声波的传递

  如图:敲击铜锣,铜锣面会在平衡位置震动,这样导致铜锣面周期性的给空气分子施加作用,使和铜锣面碰撞的空气分子的运动速度、动量、密度等发生周期性的变化。

  空气分子都在无序的运动,因此空气中的声波的传递速度依赖于空气分子的运动速度。依据速度的问题之三 ————震动与波(下)波的传递特性的结论,(声波的频率越高,声源给于空气分子的增量速度越大)那么频率越高的声波,其传递速度越快。声波的传递速度可以近似(因为空气分子声波的增量运动速度随距离存在衰减)表示为:

v=v+v最大增量

  v表示声波的传递速度,v气体介质的传递速度,v最大增量表示声源给与气体的最大增量速度。(气体分子和声源碰撞碰撞后的速度减去气体分子的运动速度,这里所指的是声源给与气体分子的最大增量速度)

  因此声波的传递速度要略大于气体分子的平均运动速度。但是在固体和液体中的声波传递速度由于受固体和液体介质的限制,传递速度为常数。声波的传递速度和空气分子的运动速度有一定的关系,即通常所说得和温度有一定的关系。

  由于气体分子之间的碰撞是无序碰撞,那么声波的传递则是以声源为中心的辐射状,我们在气体介质对声波的传递上,仍然可以看作是直线传递。

超声波

  超声波和普通的声波的不同之处在于它的频率比普通的声波的频率要高,那么当超声波的频率非常高的时候,就会出现一种特殊的现象。如图(画得不好,凑合着看):

bdshymsh-15.gif (6591 字节)

  蓝色的波表示理论上的超声波所具有的规律性。黄线表示速度快的波峰所在的实际位置。直线表示声波震动的平衡位置,即没有声音的震动状态。当然,也可以理解成横轴表示传递时间,纵轴表示气体分子的速度差异、密度差异、压强差异等和声波相关的振幅。

  我们在一个空间位置比如声波传递时间t后的空间位置时来观测这个超声波,我们将不能观测到理论上的超声波源所发出的特定振幅的超声波,因为波峰的在气体中的移动速度快,波谷在气体中的移动速度慢。那么我们会观测到如下的超声波结构。如图:

bdshymsh-16.gif (1979 字节)

  波峰和波谷的叠加,波谷让波峰给覆盖掉了或者说给叠加掉了。其实,不仅仅是超声波,普通的声波在距离传递到相当远后,都会出现这种情况。需要注意的是,随着传递距离的增大,声波不论是在声速上还是在频率上,都会存在衰减。

第二、液体波

  液体波是液体介质对动量的直接传递。因此液体波是纵波。如图:

bdshymsh-13.gif (4935 字节)

  均匀的液体对动量的传递同样具有直线传递的特征。比如炸药在水中爆炸。液体波的振幅衰减很快。远不如液面波具有比较长时间保持波的稳定性。

  液体波的传递速度依赖于液体的压缩性,或者说刚性。压缩性越小的液体对液体波的传递速度越快。

在这里顺便说一下冲击波的横向传递,一般情况下液体波是纵波,但是当遇到障碍物的时候,会出现波绕过障碍物的趋势,这个绕过的过程并且使波脱离开原有的直线传递方向的传播过程,就可以看作是横向传递,通常所说的横波。它是由于液体分子之间的摩擦力、粘滞力所造成的。

第三、固体波

  固体的分子和原子存在确定的稳定性的结构,因此,固体为介质的波和气体、液体存在着一定的不同。这个不同就在于给固体施加一个动量的作用,在沿施加动量的方向上,存在纵波的传递,在垂直于施加动量的方向,存在横波的传递。给固体任何一个动量的作用,都会存在着两种波。

  固体波的传递速度和固体的刚性有关系,刚性越大,其传递速度越快。

3、电磁波

  关于电磁波可参见电磁波电磁理论的极限与扩展、空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)(光的波动性)空间的介质问题之四 ——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(中)(光的粒子性)对于电磁波的问题,已经作了部分的讨论。在讨论电磁波的问题上,必不可少的要谈论电磁波的介质问题,对这个问题可参见空间的介质问题之一——以太的合理观念、空间的介质问题之二——场的作用。在设计到其间已经讨论过的问题,将不在重复讨论。另一方面,关于和波的间接内容,比如电磁波的介质问题,这里也不去细究。会留到后面的文章中讨论。

(1)波源的模式

  通常认为,静态的电场和磁场是不会引起电磁波的传递的。只有变化的电场和变化的磁场才会形成电磁波的传递,在电磁理论的极限与扩展中,曾谈到过传统的电磁理论只需要采用电粒子就可以定义整个的电磁体系,那么这里我们依然按照这样的模式来讨论电磁波的问题。

  在电磁理论中,电磁波理论上的存在依赖于非恒稳电流和磁场的相互转化关系,这一点是由麦克斯韦先生在电磁理论中引入位移电流和感应电场两个概念,这两个概念决定了常规的电磁理论中电磁波的可传递性。但是,由于传统的电磁理论将电磁作用源建立在电荷的基础上,这两个概念在真空中没有实在的意义(这个问题可参见 电磁理论的极限与扩展电磁理论的极限部分)。这导致理论中的电磁波同样也不具备实在的意义。现实中的电磁波是存在的,那么,波源的模式应该采用什么样的模式呢?

  关于电磁波的波源模式,在空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)中已经做过了部分的讨论,这里我简介一下并且说明一下波源对外作用的一种合理模式。如图:

bdshymsh-17.gif (6667 字节)     我们知道,奥斯特发现了电流的磁效应。它承接电流和磁场之间关系的一个非常重要的经验约定。除此之外,在客观事实上,我们不能找到比经验约定更为进一步的解释。同时,也是电流和磁现象之间最为基本的解释。我们根据右手定责,就可以判定电流电流产生的磁场之间关系。

    在这个问题上,可以采用对电流微分的方法将导线中的电流分配到运动的电荷单元上,或者更为确切的说,分配到每一个运动的电子上,将电子的运动所导致提供的对外空间的作用看作磁场的作用源。

    这里顺便说一下电场。

  现在的电磁理论中通常将电场看作一种物质场,我个人认为采用这样的描述并不是很恰当。关于这个问题,在空间的介质问题之二——场的作用中已经讨论过了,将电场当作一种物质看待并不是合理的,对外作用采用介质传递的模式对电场进行解释,则是非常方便合理的。

  如果我们在导线中采用稳定的电流,那么电流所产生的磁场对外界提供的作用则是稳定的。我们通常将他们叫做磁场。外界的磁性物质只会受到这种磁场的作用,空间介质将这种磁场的作用传递出去,我们丝毫不能将它们当作波看待。实际上,将电流微分到每一个电子单元,并且作为一个对外界提供的作用源,每一个微小的空间单元在一个时间序列里所传递的这种磁的作用未必是均匀的。但是对于宏观物体而言,这种磁性物质所受得到作用力是均匀的。因此我们并不将它们当作波看待。这是对介质传递的这种磁的作用的一种误解。我们知道,物质存在两种运动形式,一种是物质作为一个物体在运动,这是物体本身在运动。另一个是物体的本身并不运动,通过介质将作用传递出去,传递的过程中,通常叫做波的运动。那么在这里,运动的电子或者说电流所产生的这种“磁场”,并不是通过电子本身的碰撞和摩擦传递这种作用,而是通过空间介质传递这种作用(在传统的物理学中,可以看作磁场)。这本身具有波的运动的特征。只不过,波的总振幅当作零看待而已。通常我们将这种作用当作静态场。在这里需要注意的是,静止的电荷对外界提供的电的作用不能当作电磁波看待,因为电荷对外界提供的作用是一种静态的作用,这和导线电流的运动是有一定的区别的。

  从传统的物理学来看待这个问题,当然是不能叫做波的。因为不具有波动性。如果具有振幅,那么就具有了传统波动性的特征。这一点,我们只要将电流改作变化的电流就可以了。那么,变化的电流所产生的对外界的作用,就具有了波动性的特征了。似乎这样的看法非常的简单了,电磁波被人们发现应该更为容易才对。而事实却不是这样,因为电磁波的发现在历史上经历了很长的时间,首先由麦克斯韦预言,最后由赫兹通过实验证明。但毫无疑问,麦克斯韦的电磁理论关于电磁波的描述是错误的,并非客观事实,表象的描述并且成为一种客观事实并非麦克斯韦的电磁理论对电磁波的描述所独有。热质学说对于热机的发明同样有着类似的作用。这个问题在波的传递问题中将会讨论。

  将电磁波的成因划归到电荷对外界提供的在时间过成立的不均匀作用传递对于自然物质世界来说,则会非常的普遍。因为一个电子掠过另一个电荷的附近,或者掠过一个空间,都会掠过的空间提供一个不均匀的作用,那么,理论上来说,都应该针对不同的惯性参照系提供一个电磁波才对。同时电流的变化也会对外空间产生电磁波的作用。这里需要注意的是,振幅不能为零。

  这样,电磁波的概念扩展到非常广泛的地步。同样的电磁波的作用源也会非常的广泛。不仅仅电子或者电荷在时间流程里不均匀对外作用,而且磁场对外提供的在时间流程里的不均匀对外作用,也同样可以看作电磁波的作用源。在传统理论的判断里,并不是这样,还在于波的观念的经验约定。下面我们来看这个问题。

(2)电磁波的经验约定

  第一、振荡电路

振荡电路是现在电磁理论中,同时也是在产品应用中所采用的最简单的最基本的一种电路。这种电路是由电容器C和自感线圈L组成的回路,如图:

  将电容器充电和自感线圈L连接。电容器开始放电的瞬间,电路中的电流为零,电路中的能量积聚在电容器两极板间的电场中。在电磁线圈的电感作用下,电路中的电流不能即刻达到最大,而是随电容器电荷的减少而逐渐增大。当电容器两极板电荷为零时,线圈中的电流达到最大。同时,线圈中的磁场也达到最大。

  线圈中的电流达到最大时,同时也是电容器中的电量为零时,线圈中的电流并不消失,楞次定律提供了这样的一个客观依据,就是电磁感应。当电容器中的电流为零时,磁场的变化会在线圈中感应出电流,使电流仍然运动,给电容器逆向充电。当线圈中的磁场为零时,电容器中的电量为最大。

如上来自于传统的大学物理教材

bdshymsh-18.gif (4713 字节)

  第二、电磁感应

采用作用的角度看待这个问题,来解释电磁感应现象,则要简单的多了。如图:

  图中所画的一个是线圈,另一个则是通电导线。

  当给于一个直导线通一电流时,在沿运动电流对外作用方向上,对外作用的强度同距离成反比。这个导线对外提供的作用会施加与导线外的空间中。而不会将作用施加到导线本身上。

bdshymsh-19.gif (6345 字节)
  我们在将这个问题提进一步分析,将导线中的电流微分,而只考虑导线中一个电荷对外的作用以及导线中两个电荷之间的作用,如图:

  我们知道,在垂直于直导线电流的方向上会产生磁场。对于直导线中的电流,我们可以将电荷理想化成中间的电荷排布。当然,客观实际中导线中的电流应该是右边的电荷排布。

  如果电子在运动过程中会施加给空间一个作用,那么这个施加的空间应该是电子周围的空间,导线中电子间也会存在作用,这种作用在沿电流的运动方向上,主要是静电斥力,还存在电荷运动过程中的相对位移的感应

bdshymsh-20.gif (7316 字节)

作用力,这种力在恒稳电流中,是可以当作零处理的。但是导线中在高频电流中这种作用则会增加,但其量值也会非常微小。表现为电流的惯性力。这种作用的电流方向上的作用力对电流的影响程度同导线中电流的强度变化率成正比。在导线中,由于都不能当作图中导线中理想化的电荷单元,而是最右边图中的排布,因此,纯粹的这样分析,是不严格的。

  在垂直于电流的运动方向上,我们知道,会表现为磁场的作用。但这种作用是施加到导线外的空间中。并且被空间介质传递走,因此,在垂直于直导线的方向上,这根直导线在空间中所产生的磁场不会反作用于导线。楞次定律(感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原有磁场的变化方向相反),对于单独的一根直导线而言,是失效的。单独的一根直导线不会产生感应电流。这根直导线所产生的磁场不会作用于它本身。

  那么,电磁线圈的磁场和电流间的感应现象又是来自于什么样的原因呢?其实这是很简单的问题。如图:

  我们根据牛顿运动定律,就可以得到电磁理论中的楞次定律。即:感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原有磁场的变化方向相反。

  在线圈中,导线中任一点电流施加给空间的作用都会穿过其它的导线,毫无疑问,导线中一点的运动的电荷会对导线中的其它运动的电荷产生作用。根据牛顿第三运动定律,给于一个物体的作用力同时也会得到这个物体所施加的反作用力。这

bdshymsh-19.gif (6345 字节)

样,在电流稳定状态的时候,线圈中的电子所受到的作用力是一种稳定的状态。电子间由于相互作用而相互制约。但是当电流突然减小的时候,那么这种作用也处于一种不均衡状态,原稳定状态的作用仍然会施加到导线中其它的电子身上,导线中的其它电子则因为这种作用而运动,从而表现为磁场转化为电流。相反,则电流转化为磁场。因此,我们通常将线圈叫做感应线圈。感应线圈中的电流和磁场的转化过程完全来自于电子通过空间介质的作用。

  这样的结论在某种意义上来说,是牛顿运动定律的延伸。

  采用如上的分析的依据主要来自于线圈中的磁场强度总是和电流的大小相对应的。每一个单位的磁场都来自于每一个单位的电流。这在工业上有很重要的应用,并且经过实验检验。

(3)波的发射

  在传统的观念中,震荡电路可以辐射电磁波,但是普通的线圈震荡电路则由于震荡频率较低,而不能产生可以在空间中传递并被人们观测到的电磁波。其原因是因为频率太低的原因么?

  我们知道,在我们现在收听的广播中,有长波、中波、短波,那么长波的发射功率和短波的发射功率会因为频率的原因而存在决定性的因素么?我们先来看一下传统的电磁波发射理论。这里我还是引用大学物理教材中内容:

  如何才可以震荡电路中的震荡频率,提高辐射功率。传统的看法认为传统的震荡电路中的电场和磁场波局限在电容器两极板间和线圈内,不利于电磁波的发射。增强辐射,必须改变电路的形状,提高震荡频率,同时,是电路中的电场和磁场向空间开放。增大电容两极板间的距离,拉开电路中的自感线圈,使其成开放回路形,以线装导线代替线圈,变成直线形电路,就可以做到了。如图:这类似于震荡电偶极子发射。 bdshymsh-21.gif (2518 字节)

  这是传统教材中的内容,我们只要稍一分析,就会发现,这和电磁波的发射是没有任何的关系的。如果我们采用如上的改进方法,采用相同的频率,比如拉直线圈成直导线和(a)图中的相比,采用(a)图中的方法不能观测到电磁波,而采用拉直线圈成直导线可以观测到电磁波。那说明这样的理论成立。但是,恰恰不是这样的,因为采用直导线需要提高频率才可以观测到。这说明这样的电磁波发射理论模式是错误的,并且不是因为电路中的电场和磁场向空间开放。增大电容两极板间的距离,拉开电路中的自感线圈,使其成开放回路形,以线装导线代替线圈,变成直线形电路。这样的原因。

  在历史上成功的观测到电磁波的是赫兹采用如下的方案,如图:被人们看作是采用电偶极子发射的模式。

  图中A、B为两根感应金属杆,杆端呈球状,主要是为了在A、B两个之间的小空隙里获得瞬间的大电流。C为感应线圈,可以间歇产生很高的电压。

  图中所画的电磁波的波形是不对的,(我这是直接拿来的,应该  

bdshymsh-22.gif (1829 字节)

是脉冲模式的。一次发射只能产生一个脉冲,或者说只能产生一个波的周期,而不是图中所画的几个周期并依次递减。这是因为采用高压直流线圈采用感应的方法,一次放电后,A、B两根感应金属杆之间的电压不足以产生第二次放电。因此,放电只有一次,只能获得一个脉冲。)

  赫兹试验,证实了电磁波的存在。然而在原理上,则是一塌糊涂。如图:

  在发射源上发射一个电流脉冲,那么在接受的导线上,也会产生一个火花。在传统的看法中,这个接收到的火花是一个减幅震荡。我们从电磁波发射器放电的分析中可以得到,在发射器的间隙的空气最初被击穿的时候,电流是很大的,并且很快衰减。那么接收器所接收到的电流也同样是衰减的。

  那么,这能说明电磁波发射源发射的是减幅震荡的电磁波么?很显然,不能。因为没有震荡,只有一个脉冲。

bdshymsh-23.gif (4382 字节)

  在传统的电磁波发射理论中很重要的震荡电偶极子发射理论中,对这个问题则不能进行合理的处理了,偶极子震荡过程如图:

  在偶极子震荡过程中,采用电力线进行描述。在采用这种解释

bdshymsh-24.gif (2269 字节)

的过程中,并没于考虑到电力线不是真实的作用力线,它是描述电场强弱和方向的假想曲线。那么依据这样的描述,传统中如下的电磁波的传递模式,则是不足为奇了。

  bdshymsh-25.gif (3798 字节)

  依据这样的电磁理论,去检验赫兹试验中所发射的电磁波,必然可以发现和理论中不相符的部分。因为电场感应磁场,同时磁场感应电场的模式,必然会导致在接受器所接收到的电流,随距离发射源不同的空间位置,其电流的方向是不同的。因为理论上这种发射模式,必然存在电磁波的周期性。我们只要检验赫兹试验中接受到的电流是脉冲式的还是周期性的就可以了。

  另一方面,按麦克斯韦假设,闭合电力线所表示的变化漩涡电场产生变化磁场,同时,变化漩涡磁场产生变化漩涡电场。因为真空中不存在电子,也不存在电荷。电场是由电荷提供的,同样的,磁场是由运动的电荷提供的。只要电荷在真空中不存在,那么变化漩涡电场是不存在的,变化漩涡磁场也同样不存在。(可参见电磁理论的极限与扩展。电磁波这样是发射不出去的。

  采用作用的模式,将运动的电流产生的磁场当作客观事实的经验约定。并且采用介质的模式对电磁作用进行传递,是可以合理解释的。

  在传统的电磁理论中,麦克斯韦电磁理论所解释的对象是导线中的电流所产生的电磁波。如果电流是周期性震荡,那么,采用麦克斯韦电磁理论所描述的电磁波还是可以进行描述的。我们只需要将它当作一种形式上的描述,就可以了。或者说当作一种数学的工具。但是,对于带电粒子间碰撞所产生的X射线等辐射现象则不再适用。那需要采用下面的模式来进行解释。

(4)带电粒子间的作用对空间提供的电磁波

  采用电偶极子震荡的模式,经典的电磁理论有了空间中电磁波发射的模式。电偶极子的简单模式在自然界中是非常普遍存在的。一维两个高速带电粒子间的碰撞过程则是这样的模式。两个带电粒子的一个碰撞过程则完成一个电磁波周期的震荡。那么,理论上在垂直于碰撞方向,我们可以观测到一个电磁波周期的发射。从这里,我们可以得到两个带电粒子碰撞过程发射的电磁波,其频率同碰撞时间成反比。当然这是传统的电磁理论对带电粒子间发射电磁波的延伸。这只是形式上的描述。在这种形式上的描述中,同样符合电磁波和殿和碰撞时间的关系,后面我们要谈到。

  带电粒子间的碰撞可以发射频率很高的x射线。这是客观事实。另一方面,电荷在加速和减速的过程中,同样会辐射电磁波,如直线加速器,回旋加速器中的电子加速过程就说明了这样的客观现象。这种现象采用电偶极子发射是行不通的,也是无法进行解释的。那么我们如何采用物质间的作用来描述带电粒子对电磁波的这种发射过程呢?毫无疑问,采用作用来解释是非常方便和合理的。如图:

    一个电子在自由运动并且不受力作用的时候,这个电子和它周围空间的介质间的作用是稳定的作用模式。但是一旦受到外力的作用并且其运动状态发生改变的时候,那么电子和它周围空间介质作用将会发生改变。电子周围空间的介质对电子本身的作用以及电子对它周围空间介质的作用将会发生改变。这种改变如同机械波的介质对机械波的传递一样,会被空间介质传递下去。 bdshymsh-26.gif (3773 字节)

    带电粒子所发射的电磁波依据这种思路,在发射源是同样的一个带电粒子情况下,它所发射的电磁波对外界的作用同电荷的速度变化率成正比。简称为荷速变化率。它对应传统电磁波的频率。

  这样的关系和传统的物理学中采用频率的描述是相类似的。但是描述的模式是不同的。这里的不同就在于对电与磁间的转换模式上。

  在传统的物理学中,电磁理论对非恒稳电流和磁场的转化关系确立了楞次定律和法拉第电磁感应定律,这个是采用感应的模式,以经验事实作为经验约定。

  而采用作用的模式来处理这个问题,则是直接采用奥斯特导线中的电流在空间中产生磁场作为直接的经验约定,并且将牛顿运动定律引入到电磁作用中来处理的。并且依据波的特性赋予电磁波必须通过介质传递。因此,这两种描述模式存在非常大的区别,请注意,不要简单的看这种形式的相类似性。

    (在下面的波的能量中要进一步讨论波的频率问题。这里就不进行讨论了,而仅提出解释的模式)

  此外,这里简要说明一下原子发光。

  在原子发光中,由于其发射的频率大于导线发射电磁波的频率,同时小于高速带电粒子相互碰撞所发射的X射线,因此,原子发光的过程主要来自于原子核和核外电子间的作用,它是非碰撞发光。采用我们刚才谈到的荷速变化率描述之外,还存在原子核对外界静态的电的作用。因为电子和原子核的距离较近,它是可以改变并影响原子核对外界作用的电的作用力线分布。或者换句话说,电子在原子和外层空间的运动会影响原子核对外界空间的瞬时作用。同样会导致空间介质对作用的瞬时变化的传递。这种传递的作用会对远处的电荷产生影响。(可参见电磁理论与原子论之四—原子论

(5)电磁波的传递

   不论是导线所产生的电磁波还是带电粒子在变速运动所产生的电磁波,它们都必须通过空间介质来完成,不论这种空间介质是什么,具有什么样的性质。都必须有这样一种承载作用传递的载体。依据传统的观念,我这里将它叫做介质。在传统的观念中,和电磁场是等效的。

   介质对力的传递过程是一种力学过程,因此通过空间介质进行作用的传递过程必然是一种直线传递过程。关于传递电磁波的介质属性,我会在以后的其它文章中说明。

4、小结

  在我们上面所讨论过的波动现象,一个非常重要的事实就是所有的波动现象的作用传递过程,都可以采用直线传播来描述。

 

说明:这篇文章本想在元旦结束,但是后期的内容还需要一段时间,不能在这个时间里结束,另一方面,后期的内容所涉及的内容也较多。因此这里分为上下两篇。

2002年12月30日


返回首页