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五、麦克斯韦电磁场理论

2018-11-20  新概念物理

  19世纪时期,人类对电磁现象的认识取得了很大的进展,关于电磁现象的三个最基本的实验定律:库仑定律、毕奥-萨伐尔定律和法拉第定律已被总结出来,法拉第的“电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。1855年至1865年,麦克斯韦在全面地审视了三大定律的基础上,把数学分析方法带进了电磁学的研究领域,创立了麦克斯韦电磁场理论。

麦克斯韦电磁场理论的核心思想是:变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦用数学方法概括了电场和磁场的所有规律,建立了完整的电磁场理论体系。这一理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。[4]

麦克斯韦方程组由四个微分方程构成:

1·E=ρ/ε0,描述了电场的性质。在一般情况下,电场可以是库仑电场,也可以是变化磁场激发的感应电场,而感应电场是涡旋场,它的电位移线是闭合的,对封闭曲面的通量无贡献。

2·B=0,描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发,也可以由变化电场的位移电流所激发,它们的磁场都是涡旋场,磁感应线都是闭合线,对封闭曲面的通量无贡献。

3×E=-B/t,描述了变化的磁场激发电场的规律。

4×B=μ0J+1/c2*E/t (c2=1/μ0ε0),描述了变化的电场激发磁场的规律。

  麦克斯韦方程都是用微积分表述的,涉及到的方程包括:

  (1)高斯定律:该定律描述电场与空间中电荷分布的关系。电场线开始于正电荷,终止于负电荷。计算穿过某给定闭曲面的电场线数量,即其电通量,可以得知包含在这闭曲面内的总电荷。

  (2)高斯磁定律:该定律表明,磁单极子实际上并不存在。所以没有孤立磁荷,磁场线没有初始点,也没有终止点。磁场线会形成循环或延伸至无穷远。以术语来说,通过任意闭曲面的磁通量等于零,或者,磁场是一个无源场。

  (3)法拉第感应定律:该定律描述时变磁场怎样感应出电场。例如,一块旋转的条形磁铁会产生时变磁场,这又接下来会生成电场,使得邻近的闭合电路因而感应出电流。

  (4)麦克斯韦-安培定律:该定律阐明磁场可以用两种方法生成:一种是靠传导电流(安培定律),另一种是靠时变电场,或称位移电流(麦克斯韦修正项)。

  在电磁学里,麦克斯韦修正项意味着时变电场可以生成磁场,而由于法拉第感应定律,时变磁场又可以生成电场。这样,两个方程在理论上允许自我维持的电磁波传播于空间。[5]

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  麦克斯韦电磁场理论的核心概念是“场”,正是场概念的出现,使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来,开始接受电磁作用和引力作用都是“近距作用”的观念。但是,受宏观场存在形式的影响,麦克斯韦电磁场理论对场的认识还是模糊的,停留在“以场论场”阶段,电力线和磁力线所描述的只是电场和磁场的宏观性质,并没有阐明场的性质和起源。

  场起源于实物粒子,微观尺度的场是有结构的。形态场假说认为,任何带电粒子都携有两种场——一维电场和二维质量场,一维电场为线性场;二维质量场为平面场,一维线性电场垂直并穿过二维质量场的中心,二维质量场以一维电场为轴旋转,以此构成了粒子的自旋。质量场有两种表现形式,一种是宏观物体的万有引力场,另一种是粒子的磁场。电场和磁场都以实物粒子为载体,两种场共存于同一粒子之中;粒子是场的源,场是粒子的构架或称结构形态。

  所谓“电荷”指独立的带电粒子,电荷属性由粒子自旋决定,右手旋粒子为“正电荷”,左手旋粒子为“负电荷”。任何带电粒子都同时携有电场和磁场,不存在单一性质的“电荷”或“磁荷”。电力线描述的是一维电场方向,磁力线描述的是二维质量场的旋转方向。一维电场构成的库伦场呈线性结构,二维质量场构成的磁场呈涡旋结构。带电粒子间存在着电场和磁场双重作用关系,综合表现为异性电荷粒子相互吸引,同性电荷粒子相互排斥。

  麦克斯韦方程组用数学方法概括了安培定律和法拉第感应定律,得出了“时变电场可以生成磁场,时变磁场又可以生成电场”的结论。然而,在形态场假说看来,这种提法是不准确的,因为电磁转换现象只能发生在导体内部,是粒子形态场产生的一种效应,在脱离物质的前提下,不可能实现电场与磁场的相互转化,所谓“变化的电磁场以波形式向空间传播”的观点是错误的。

  根据Q键电桥说,电流是导体内原子核一维电场能的传导与流动,而非导体中的自由电子定向移动。电流形成的条件是,导体内的原子有序进行排列,原子核一维电场串联在一条轴线上,链接成电桥。当导体内有电流通过时,原子核一维电场方向是相同的,由粒子的形态场结构决定了,此时原子核质量场的矢量方向也是相同的,它们将在导体周围形成磁场,这就是电流的磁效应。反之,当磁场作用于导体,使原子核质量场矢量方向一致,即产生感应磁场时,原子核一维电场方向也是相同,它们将在导体中生成感应电流,这就是电磁感应现象。可见,电磁转换现象与粒子形态场密切相关,通过原子核形态场的有序性排列,实现了电场能与磁场能的相互转化,在脱离物质的前提下,不能发生任何形式的电磁转换,这是电磁效应的本质。

  虽然真空中不存在交变电磁场形成的电磁波,但是,电场和磁场作为一种场性物质,也可以产生振动,并以波的形式进行传导,它就是赫兹实验中检测到的“电磁波”。

 

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