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摘要 电磁场与电磁波是两个完全不同的概念，电磁波绝不是运动的电磁场，电场是电荷产生的，是带电粒子固有的属性，是电荷相互作用的空间，而磁场是电场的运动效应。电磁波是以太中传播的波，具有一切机械波的共性，与声波具有几乎完全相同的特征。 关键词：电磁场，电磁波，以太，麦克斯韦方程 1. 引言 本文是《电场与磁场的关系》的续篇，在这篇文章中，详细说明了为什么变化的电场不能产生磁场，变化的磁场也不能产生电场。如果这个猜想得到证实，整个电磁波理论大厦将会崩塌。电磁波是粒子振动产生的，并在以太介质中传播的波，电磁场与电磁波虽然只有一字之差，却是两个完全不同的物理概念。 2. 二者的区别 2.1. 物理概念的区别 电磁场是电场与磁场的统称，任何电场都是电荷产生的，没有电荷就没有电场，任何磁场都是运动电荷产生的效应，没有电荷的运动就没有磁场。 电磁波是什么？教科书的定义是：由方向相同且互相垂直的电场与磁场，在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场。 但是，波与场具有本质的区别，波是指振动的传播，某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动称为波；而场在物理学上指的是空间或空间的某种分布，是物体与生俱来的属性。波是物体振动产生的，其传播需要介质，它可以脱离物体而存在；而场是物体发生作用的范围，是一定范围内的物理作用，只能存在于物体的周围，不能脱离物体而存在。 2.2. 描述方法的区别 2.2.1. 静电场的描述 静电场的描述方法与引力场的描述方法相同，例如：电场强度可表示为  ，两个电荷间的作用力可表示为  ，同样，引力场的强度也可表示为  ，两个质点间的作用力可表示为  。 由于磁场是运动的电荷产生的  ，因此，没有静态的磁场。 2.2.2. 动态电磁场的描述 在电磁学中，描述动态电磁场的方法是麦克斯韦方程组，但它需要一定的前提条件，例如，描述一根通电导线产生的电磁场时的前提条件是长度远大于半径等，更基本的描述是毕奥—萨伐定律  、电场强度的定义式  ，点电荷场强的决定式 。电磁学与流体力学的描述方法相似，例如：毕奥—萨伐定律也可以在流体力学中适用，斯托克斯定理在电磁学中和流体力学中通用。 2.2.3. 电磁波的描述 电磁波是波，描述方法与声波相同，电磁波与声波几乎具有完全相同的性质，在描述它们的反射、折射、干涉、衍射、多普勒等现象时，都可以应用相同的方法，例如：不论是声波还是电磁波，都符合反射定理、折射定理等，尤其神奇的是，不论是声波还是电磁波，当入射波在波疏介质中前进，遇到波密介质的界面时，都将在反射过程中产生半波损失，但当入射波在波密介质中前进，遇到波疏介质的界面时，在反射过程中都没有半波损失。 在计算波的能量、辐射压、方向角（衍射极限角）等，也都可以应用几乎相同的方法，例如：不论是声波还是电磁波，所产生的辐射压，其数值都等于平均能量密度，更神奇的是：当波完全反射时的辐射压力是完全吸收时的两倍。电磁波可以实现相控阵（相位补偿基阵）发射和接收，超声波同样可以实现。 麦克斯韦方程组的适用范围是电磁场，它成立的条件是必须有电荷存在，对于电磁波，麦克斯韦方程组不成立。 2.3. 物理性质的区别 场是源激发的，没有源就没有场，不存在无源之场，场的性质是源决定的。电场是由电荷产生的，虽然在表象上变化的磁场可以产生涡旋的电场，但本质上涡旋的电场仍然是由电荷运动产生的。在表象上，涡旋的电场也可以产生磁场，但实际上，没有电荷的运动就没有磁场。 波也是源激发的，但波可以脱离源而存在，不存在无源之波，但波是由源和介质共同决定的，源决定波的频率和幅度，介质决定波的速度和衰减，电磁波也不例外。 2.3.1. 偶极子产生的电磁场与电磁波 偶极子天线上的电流是时变的，但它所激发的电场和磁场却与静态电磁场的特点完全相同。在天线周围所产的电磁场（近场）可表示为（以振子中心为原点）：  ， 其中L是电偶极子天线的长度，它与静态的电偶极子所产生的电场在形式上完全相同，但偶极子天线周围的电磁波（远场）可表示为：  ， 其中  是波阻抗。很明显，电场和磁场没有波动，但电磁波存在波动，这是二者最明显的区别。 2.3.2.半波振子产生的电磁场与电磁波 在理想半波振子的两个天线中，由于每根天线的长度为λ/4，入射波与反射波在天线上叠加形成驻波，如图1中的B和C所示，尽管半波振子上的电流是时变的，但它所激发的电场和磁场却与静态电磁场的特点相同。 图1.半波振子天线的结构（A）、电流（B）和电压（C） 天线产生的电场与磁场始终保持90度的相位差，其坡印亭矢量的平均值恒为零，也就是说，没有能量向外部输送（在任何的教科书中都有这样的描述）。 图2.天线所产生的电磁场和电磁波的范围 电场是由电荷产生的，因此，它只与电势有关，与变化的磁场无关，天线周围磁场是由运动的电子产生的，只与电流有关，与变化的电场无关。径向电场Er和纬向电场Eθ、经向磁场Hφ的形状或范围如图2所示。 电磁波的产生与电磁场完全不同，电磁波是由电子振动产生的。半波振子天线所辐射的电磁波依靠的是天线上的驻波，辐射的主要方向与天线相垂直。 半波振子天线周围的电磁波可表示为： ， ，其中 ，称为方向函数，E代表以太的压强变化量，H代表以太的体积元速度。E与H的相位完全一样，表达式也高度相似，E/H = 120π是一个常数，与声波的特征基本相同。 2.3.3. 区别 天线的辐射包括近场和远场，近场是电磁场（但含有电磁波，只是电磁场的强度比电磁波大很多），其中，电场是由天线上的电势产生的，与电流无关，磁场是由天线上的电流产生的，与电势无关；远场为电磁波（也含有电磁场，只是电磁波的强度比电磁场大很多），是由天线上的电子振动产生的，它是由以太介质传播的波，与声波类似。 电磁场与电磁波可以是同源的，也就是说，同一个波源即可以产生电磁场，也可以产生电磁波，但二者却具有完全不同的性质： l 电磁场只能存在于源的附近（远场强度很小，可忽略），但电磁波却可以存在于远离源的地方； l 电磁场不能脱离源而存在，但电磁波却可以； l 电磁场中不存在相位因子 （说明了电磁场不存在波动，也说明电磁场不能以波的形式传播），但电磁波中一定存在相位因子。 l 交变的电磁场与电磁波都能使电子产生振动，但电磁场作用与电子所带电荷有关，它只能作用于带粒子，而电磁波的作用与电子所带电荷无关，可作用于任何粒子，例如，激光可以冷却任何粒子，而不论粒子是否带电。 2.4. 物理意义的区别 在物理学中，任何的物理量都代表一定的物理意义，E和H在电磁场中代表的是电场强度和磁场强度， 称为真空磁导率，代表磁感应强度B与磁场强度H间的转换常数 ，它是一个定义值，它的物理意义是单位的转换， 称为真空介电常数，是一个度量系统常数，代表电位移矢量D与电场强度E间的转换常数： ，其物理意义与真空磁导率相同。它的定义式为： ，其中，c是光波传播于真空的光速， 在电磁波中，E代表以太介质压强的变化量，与声波中p的物理意义相同，H代表以太体积元的运动速度，与声波中u的物理意义相同， 代表以太的密度， 代表以太的体积压缩系数。 2.5. 产生过程的区别 电磁场的产生过程很简单：只要有净电荷的地方，就会有电场，只要有电荷运动的地方就有磁场。但电磁波不同，它是由粒子的变加速运动产生的。要想说清楚电磁波的产生过程，必须从导体中的电子为什么会定向移动开始。 2.5.1. 导体中的电子与水管中的水分子比较 传统认为：自由电子定向移动的原因是导体中存在电场。在电路被接通的时候，电场会以接近光的速度将场源变化的信息传送出去，使电路中的每一个导线快速地建立起电场，这个电场可以使自由电子做定向运动，电流的形成就是电场拉动电子而产生的。但是，电场是如何沿着导线建立的？在理想的导体（例如电阻为0的超导）中，电势差并不存在，导体中的电场在哪里？为了说明这个问题，以水管中的水分子与电子作比较（水分子在水管内与电子在导体内类似，都是自由的）。 A.水压在水管中的传递过程 图3.水压在水管中的传递过程 在图3中，T1和T2表示水闸，假设水的密度ρ= 1000 kg/m3，体积弹性模量K= 1.96×109 Pa，水塔高度h= 10米，水管的体积弹性模量忽略，内径r= 0.1米，当T1、T2都关闭时，水平管中的压强为0。 如果打开T1，水平管中的水压将从左到右，以速度 = 1400 m/s的速度传播。如果L=100米，取重力加速度g= 10 m/s2，水平管中的水的压强（ ）从0全部变为100000 Pa的时间为0.0714 s。这时，水平管中的水的密度变为1000(1+100000/1.96x109) = 1000.05 kg/m3，水塔向水平管中补充的水量为0.157 kg，也就是说，水管中的水分子向右的最大位移量为0.005 m。 如果T1打开的时间为1ms，理想情况下，将有厚度为1.4 m，压强为100000 Pa的水柱，在水平管中以1400 m/s的速度从左向右移动。当水柱达到T2时，由于T2处于关闭状态，这个水柱又会以1400 m/s的速度向T1运动（在实际的水管中，由于阻力的存在，这个水柱将逐渐消失），这种压力的传播称为水击波。当水击波移动时，水分子并不移动（或移动很小），只是在平衡位置振动，当T1、T2都打开时，水分子才流动。 B.电压在导线中的传播过程 在图4中，K1、K2代表开关，E代表电源（取电池的正极为零电位），电源的作用就是把电子从正极运送到负极，并保持负极的电子密度不变。电池的电压代表着正负极之间的电子密度差：U= A（ρ负-ρ正），其中，A是常数。电源的电压越大，代表负极的电势越低，也就是电子的密度越大。 图4.电流在导线中的传播过程 当K1、K2都断开时，导线上的正负电荷平衡，电子所受的力各向同性。如果K1闭合，由于电源负极的电子密度大，电子之间的斥力也大，电子必然从密度高的地方向密度低的地方运动。电子密度的传播与水击波（水击波既是压力的传播，也是密度的传播）的传播原理相同。与水击波一样，电子密度的传播过程中，电子本身移动的距离也很小。可以看出：电子密度的传播过程也是电压的传播过程。 如果K1闭合的时间为1ns，理想情况下，将有厚度为0.3 m，密度与电源负极相同的电子柱，在导线中以约3x108m/s的速度从A向B移动。当电子柱达到K2时，由于K2处于断开状态，这个电子柱又会以同样的速度从B向A运动（在实际的导线中，由于阻力的存在，这个电子柱也将逐渐消失），这种电子密度的传播本文称为电击波。 可以看出：水击波的传播与电击波具有相同的性质。 C.电子在导体中的密度分布 图5.高速公路上的车辆密度分布 假设三车道的高速公路上有一处事故，其中的两个车道封闭，只有一个车道通行，公路上的车辆分布将会如图5所示。 当图4中的K1、K2都闭合后，电子就在电路中流动，其密度分布与公路上汽车的密度分布相似，出现事故的路段相当于电阻，没有事故的路段相当于导体，事故前面的路段汽车拥堵，速度慢，相当于连接负极的导线，而事故后面的路段相当于连接正极的导线。在电路中的任何截面，每秒通过的电子数是相等的，而公路上也是一样，在任何截面，每秒通过的汽车数也是相等的，电路中电子密度的分布如图6所示。 图6.电路中电子密度的分布 D.小结 导线中的正电荷可以看作是静止的，带负电荷的电子可以看作是流体，导线中电子的运动与管道中水分子的运动方式相似，管道中的阻力相当于导线中的电阻，管道中水的压强相当于导线中电势，水分子的运动速度相当于电子的运动速度，管道中的水击波（压力波）相当于导线中的电击波（也就是电子密度波，是电势的传播），水分子的运动是压力推动的，而电子的运动是密度推动的（电子密度大时，静电力也大）。可以说，导体中电流的形成是由于电子的密度在电路中分布不均引起的电子流动，电子密度的传播速度与光速具有相同的量级，其传播原理与水击波相同。在相同的条件下，电子的密度差越大，电子的移动速度越快。 2.5.2. 行波天线所激发的电磁场和电磁波 如图7所示的裸露铜芯，就是一个行波天线（电源、电缆和负载的阻抗相匹配），为了便于说明，设行波天线的长度为一个波长，以天线的中心为原点，建立直角坐标，则天线上的电势可表示为： ，电流可表示为： 。 图7.行波天线系统的组成 由于天线上是行波，电势与电流同相，天线上的u和i的波形如图8所示： 图8. t = 0时，行波天线上的电势和电流 如图9所示，如果P是空间的任意一点，与原点的距离为r，OP与其x轴的夹角为θ，根据毕-萨定理可得： 。 可以看出：天线所产生的磁场只与电流有关，与电势无关。而天线所产生的电场就是电势的梯度： ，它只与电势有关，而与电流无关，也就是说，电场的强度只与天线上净电荷的密度有关，而与电荷运动的速度无关。 图9 天线上的电流元产生的磁场 电场强度E与磁感应强度B垂直且同相，其玻印廷矢量不为零，但并没有能量的传送。电场的变化与磁场无关（只与电势有关），磁场的变化与电场无关（只与电流有关）。当t = 0时，与天线垂直距离相等的点，其电场与磁场的大小，如图10所示。 图10. t = 0时，与天线距离相等点的电场和磁场的大小 行波天线产生电场和磁场的同时，也产生电磁波，但与产生电磁场的方式完全不同，电磁波是由电子的变加速运动产生的。由于导体内部不能稳定存在净电荷，因此，净电荷的增加和减少主要表现在表面。高电势表示导体表面的电子减少（负电荷比正电荷少），表面电子向内运动，低电势代表导体表面的电子增加，内部电子向外运动。电流的大小代表电子在x方向上的运动速度，而电流的正负代表电子运动的方向，如图11所示，其中，红点代表正电荷，蓝点代表电子。 图11. 行波天线表面的电子密度和运动方向 电磁波的本质是以太的压强波，与空气中的声波具有相似的性质，但行波天线上的振动点是移动的，也就是说，不同的时间点，辐射电磁波的位置不同，但传播方向不变。需要指出的是：以太介质的运动方式与水面波的运动方式类似，质点是椭圆运动而不是直线运动。行波天线所产生的辐射波，与水击波对水管冲击时，水管壁所产生的振动波具有相似性。 2.5.3. 驻波天线所激发的电磁场和电磁波 在半波振子天线上，入射波和反射波相叠加，天线上的最大电流和电势为传输线上的2倍，如图12所示（图中的电容为传输线的分布电容）。 天线上电流与电势的相位相差90度，取天线的中心为坐标原点，电势可表示为： ，电流可表示为： ，如图5-13所示。 图12. 匹配状态下的电流分布 图13. t = 0时，天线上电势与电流的大小 在与天线等垂直距离的空间点上，电场强度与磁感应强度的大小，与天线上的电势与电流的大小相对应，如图14所示。 图14. t = 0时，与天线垂直距离相等点的电场与磁场的大小 但电磁波则不同，它的大小和方向与电子密度及振动方向有关，如图15所示。 图15. 驻波天线上电子的密度和运动方向 2.5.3. 行波天线与驻波天线的比较 A. 电磁场的比较 行波天线的附近（忽略边际效应）电磁场各点同性，距离天线相同的点，其电场和磁场都随时间作周期性的变化，其周期与天线上的电流相同，磁场与电场同相，且相互垂直。 在驻波天线的周围，天线中部的磁场最大，而两端的电场最强，也随时间作周期性的变化，其周期也与天线上的电流相同，在同一点，磁场与电场相差90度且相互垂直。 B. 电磁波的比较 行波天线的辐射是各点同性，每个点辐射的大小和方向相同，但时间不同，辐射的最大点是天线电势的最低点，辐射的主要方向与天线并不垂直，而是与天线具有52.5度的夹角，如图16（a）所示。 图16.行波天线与驻波天线的辐射方向比较 驻波天线上的辐射主要在两端，中间不产生辐射，因为电子的轴向速度虽然很大，但加速度为0，电子不产生振动，而在两端，电子的径向加速度最大，所以是径向辐射，如图16（b）所示。 2.5.4. 只产生电磁场的天线 图17.只产生电磁场的天线 电磁波产生的必要条件是变加速运动，也就是说，电子运动的加速度不能是常数（激波除外），如图17所示，由磁棒和激励线圈组成的天线系统，天线的周围即存在涡旋的电场，也存在变化的磁场，而且符合麦克斯韦方程。但不管电流和电压如何变化，都不存在电磁波（如果有，也是从导线中辐射出来的），因为在磁棒中的电子是束缚电子，不存在变加速运动。这种天线虽然不能发射电磁波，但却可以接收电磁波。 2.6. 传播过程的区别 2.6.1. 电磁场不存在传播过程 或者说场的传播速度是无穷大，因为电场是带电粒子的固有属性，是与生俱有的，而磁场是电场的运动效应。 2.6.2. 电磁波的传播过程 在我们的教科书中，描述电磁波的传播过程主要有三种方法，分别如图18中a、b、c所示： 在实际的电磁波中，真实的传播过程只能是一种，哪一种是正确的？或都不正确？ 第一种传播方式符合麦克斯韦方程，电场和磁场都是涡旋的，它们在真空中互激，但如何保证E和H的相位相同呢？又是如何保证电场的矢量与天线平行呢？第二种描述满足电场的矢量方向与天线平行，但电场与磁场如何互激呢？第三种综合了前两种的特点，但如何保证电场与磁场的线性关系 ？ 图18.电磁波的传播过程的三种描述 电磁波是如何在真空中传播呢？如果真空中存在以太，答案就很明显，它传播的方式与水面波相似。下面以半波天线为例说明，如图19所示。 图19.电磁波的传播过程 在图中，黑色圆点代表原子核，红色圆点代表电子，绿色代表以太粒子的运动轨迹。在天线上，电子密度大的部分，电子运动的方向不但与电流的方向相反，而且还向外运动（因为导体内部不能长期存在净电荷，只能跑到导体的表面，但又无法脱离导体，与气球在水中的运动类似），天线上的电子密度小的部分，电子运动的方向除与电流的方向相反外，表面的电子还向内运动。 电子在导体内的运动会导致周围以太的运动（因为以太无所不在），电子向外运动时，以太粒子也会向外运动，电子向内运动时，以太粒子也会向内运动。与声波一样，电磁波就是以太粒子在其平衡位置附近做周期性的运动，逐渐向外传播。 电磁波的产生和传播过程与空气中的声音相似，本文中，描述电磁波和声波也是应用同样的方法，E代表以太的压强变化量，H代表以太质点的速度（我们在电磁波中也从来没有测量到磁场强度），因此，声音的波阻抗与电磁波的波阻抗具有相同的物理意义。但有一点不同：产生声音时，物体一般只有纵向运动，没有横向运动，因此，声音是纵波，而在电磁波的产生过程中，电子的运动不只纵向运动，同时还存在横向运动，因此，电磁波在其波动过程，介质质点运动的轨迹为圆形，所以它属于偏振波。 在基于以太的电磁波模型（https://www.zhihu.com/zvideo/1314654672141819904）中，作者对电磁波在以太中的传播过程做了详细的动画演示，本文从动画演示中截取了三个画面如图20所示，其中，a是水波中介质的运动过程，b和c是以太中的介质运动过程。 电磁波在其他物体内传播时，其传播介质依然是以太，但物体中的原子会影响传播的速度和幅度的衰减。 a.水波中介质的运动 b.以太中介质的运动 c.光子的模拟 图20.电磁波在以太中的传播过程 5.6.3. 波动方程的推导 学界普遍认为：电磁场的性质、特征及其运动变化规律是由麦克斯韦方程组确定的，电磁波是电磁场的一种运动形态。本文认为：这句话是值得商榷的，麦克斯韦方程组只是用数学的方法描述了电场与磁场的关系，但并不是物理过程的描述，也不是电磁场的变化规律，它只是对电磁现象的数学总结，更基本的描述是库仑定律、毕萨定律、安培定律、法拉第电磁感应定律等，位移电流的假说一直都存在争议，而且它的成立也是有条件的，例如： ，当直导线有限长时，它就不成立，当导线弯曲时，它也不成立。电磁波与麦克斯韦方程组更无关了，电磁波中的各种变量，都不满足最基本的电磁学定律，例如，在电磁波中，E和H是线性关系，而且比值也是确定的，也具有相同的相位，但为什么从麦克斯韦方程组能够推导出波动方程呢？ 如图18（a）所示是一个偶极子天线所发射的电磁波，按照教科书中的描述，E1是由天线直接产生的，B1是由E1产生的，E2是由B1产生的，依次类推。 先看看教科书中的推导过程： 根据麦克斯韦方程 （1）， （2）， （3），对第一个等式取旋度并将第二式代入得： ， 因为 ， 根据第三式可得： ， 同理可得： 假设教科书中的描述是正确的，也就是说，B1是由E1产生的： ，而E2是由B1产生的： ，如果E1= E2，B1= B2，上面的推导过程成立，但在实际的电磁波中，E1和E2是不可能相等的。因此，用麦克斯韦方程组推导出的波动方程，没有普遍性，只在理想的平面波中成立，但是真正的平面波并不存在。 但是，它在理想的平面波中成立也只是表象，用麦克斯韦方程组推导出的波动方程，只是数学上的游戏，没有物理上的意义，因为涡旋的电场不可能产生磁场，涡旋的磁场也不可能产生电场，在没有电荷真空中，涡旋的电场和磁场都不存在。 3. 结论 电磁场与电磁波是两个完全不同的概念，场是物体的属性，波是介质的振动，不论在任何方面都存在着明显的不同，属于两种完全不同的物理现象，二者几乎没有关系。 |
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