电磁场场速力学效应的一种探索
刘朝建
重庆金阳骑龙山庄物业公司，重庆南坪西路68号（400060）
摘要：本文在借鉴洛伦兹推迟解的基础上，就场速对物体相互作用力学效应的影响进行了探索，以电磁场为例，提出了以场速的力学效应为基础的非恒穏静电磁场理论，以光速恒定为基础的电磁波及光的多普勒效应，麦克斯韦方程组的多普勒效应。
关键词：推迟解场速光速恒定多普勒效应
中图分类号：O412.3
1.引言
在经典物理学中，无论是引力场还是静电磁场都是恒穏场和保守场，在引力场还是静电磁场内，物体沿任何闭合路径运动，其动能和势能将保持不变，系统的机械能保持恒定，然而，这个理论无论从理论上，还是从实验的角度都存在局限性。我们以经典的静电磁场理论为例，经典的静电磁场理论并没有考虑电磁场的传播速度对电磁场作用的影响，电磁场存在传播速度表明电磁场作用存在时间上的滞后，而现有的经典静电磁场理论并没有考虑电磁场滞后所带来力学效应。而在电学实验中，带电体在静电磁场运动，其系统机械能并不是保持守恒，而是在不断地向外辐射能量，而且其辐射的能量随带电体的运动越接近光速越大，即存在韧致辐射和同步辐射。韧致辐射和同步辐射存在表明一个更为完善的静电磁场理论应该包含场速以及物体相对运动所带来的力学效应。现代物理学对这个问题的处理存在两种基本思路，一个是狭义相对论，狭义相对论以光速为基准构建了洛伦兹变换，再以洛伦兹变换为基础，建立了相对论电磁场理论，在相对论电磁场理论中，带电体在静电磁场运动越接近光速，电磁场作用越大。而另一个思路是洛伦兹推迟解，而本文则是在继承洛伦兹推迟解的思路上，对电磁场场速的力学效应进行了新的探索。
2.以场速力学效应为基础的非恒穏静电磁场理论
2.1以场速力学效应为基础的非恒穏静电场理论
对于带电动体在匀强静电场的运动，可以分三种情形:带电动体沿匀强静电场径向，即电力线方向运动；沿匀强静电场切向，即垂直于电力线方向运动；沿匀强静电场既有径向又有切向方向运动分别考虑电场传播速度所引起的电场作用滞后的力学效应。
2.1.1带电动体沿匀强静电场径向，即电力线方向运动时
设场源为参照物，带电动体的位矢为r(t),沿径向的初速为,电量为q,质量为m,场强为E，则根据经典电场理论，不难有带电动体在匀强静电场中的速度为：
设电场的传播时间为,借鉴洛伦兹推迟解，则带电动体在考虑了场速力学效应时的速度为：
以时间为变量，对带电动体的速度求导，可以得到带电动体在匀强静电场中的加速度为：
当时，有,因此有在,带电动体在匀强静电场中的加速度为：
则根据牛顿力学定律不难有：
（2—1）
从（2—1）式，不难看出。以场速力学效应为基础的电场作用力由两部分构成，一部分是带电体在静电场中静止时所受到的电场力,而另一部分时电场传播速度引起的滞后力，其大小为.如果设电场方向为参考方向，从（2—1）式，不难有，当带电动体沿电场方向运动时，即带电动体在静电场作加速运动时，电场作用力随着速度的不断增加而不断下降，电场的滞后力表现为与带电动体速度相反的滞后阻力，而当带电动体沿电场相反方向运动时，即带电动体在静电场作减速运动时，电场作用力与速度的关系是速度越大，电场作用力也越大，电场的滞后力同样表现为与带电动体速度相反的滞后阻力，因此，电场传播速度引起的滞后力始终表现为带电动体速度相反的滞后阻力，带电动体在静电场中机械能不在守恒，而是在不断下降，则根据能量守恒定律，由带电动体与场源构成的系统将不断向外输出能量。在电学实验中，带电动体在静电场作加速或减速运动时，存在韧致辐射，而且其辐射随带电体速度的增大而不断增强，我们有理由推断这种辐射有可能就是电场传播滞后所产生的力学效应。另外在加速器，随着带电体速度的不断增加，加速器的效率也是在不断下降，从（2—1）式，不难得出，当带电体速度接近光速时，电场作用力接近于零，带电体在电场中不可能被加速到超过光速。
2.1.2带电动体沿匀强静电场切向，即垂直电力线方向运动时
设场源为参照物，带电动体的位矢为r(t),沿切向的初速为,电量为q,质量为m,场强为E，则根据经典电场理论，带电动体沿径向的电场力为,加速度为，而实际上电场传播存在滞后时间，因此带电动体所受电场力的方向并不是沿着径向，而是滞后于径向，与径向存在一个夹角θ，这个夹角θ的大小无疑于带电动体切向速度，电场传播速度c有关，在滞后时间内，带电动体移动的距离为，电场传播的距离为，所以有夹角：
因此有垂直于电场径向的电场力为：
平行于电场径向的电场力为：
（2-2）
在考虑了电场传播滞后所带来的力学效应，可以得到，带电动体沿径向运动改变是电场强度，即电力线的密度，而切向运动改变是电场的方向，即电力线的方向，切向运动同样会产生于带电动体运动相反的滞后阻力，其大小为，因此，带电动体在静电场中机械能同样是不再守恒，而是在向外输出能量。在电学实验中，带电动体在静电场作切向运动会产生同步辐射，由此，可以推断这种同步辐射有可能同样是电场传播滞后所产生的力学效应。
2.1.3带电动体在静电场中既有径向又有切向运动时
结合前面的讨论，不难有切向运动时，带电动体所受到的沿径向的电场力为：，而径向运动所产生沿径向所产生的滞后阻力为，因此带电动体在静电场中受到的沿径向的电场力为：
（2-3）
带电动体在静电场中切向的滞后阻力为，径向滞后阻力为，且两者都与带动动体的运动方向相反，则不难有带电动体所受总的滞后阻力为：
这里，是带电动体的速度。
结合前面的论述，在考虑电场传播所引起的力学效应，就有修改后的静电场库伦公式为：
径向为：
切向为：
滞后阻力为：
2.2以场速力学效应为基础的非恒穏静磁理论场
带电动体只有切割磁力线才能产生洛伦兹力，所以静磁场理论的场速力学效应只需要考虑带电动体垂直于磁力线的速度分量，与带电动体垂直于电力线运动类似，由于磁场存在传播速度，所以洛伦兹力不再垂直于带电动体的运动方向，而是滞后一个夹角θ，既有：
因此有与带电动体运动方向相反的滞后阻力为：
垂直于带电动体运动方向的洛伦兹力为：
由于存在滞后阻力，带电动体在磁场中也不再保持机械能守恒，因而系统将向外输出能量，在电学实验，带电动体在磁场中存在同步辐射，因此，我们也有理由推断这种辐射同样来至于电磁场传播速度所产生的滞后的力学效应。
2.3对“高速电子质量变重现象”的另一种解释。
经典电磁场理论对电子的测量是利用静电场和磁场使电子发生偏转实现，速度检测的原理是：
静电场为：；磁场为
当时：
E和B都是已知的，可以利用上式测得电子的速度，而电子质量的测量则是利用电子在磁场中的偏转，即：
V,q,B都是已知，因此可以通过对R的测量得到对电子质量的测量，现在，我们在考虑了电磁场传播速度力学效应后的计算，速度检测为：
电子在速度检测器中，是垂直于静电场和磁场运动，所以有;
当时，有
这与经典电磁场理论在速度检测上的结果是一样的，而对电子质量的测量则有：
既有：
因此，从以场速力学效应为基础的非恒穏电场场理论看，“高速电子质量变重现象”并不是电子质量变重，而是由于存在电磁场传播速度所引起的滞后力学效应，是电磁力随速度增大而减小的结果。相对论认为是电子质量变重了，但是相对论忽略了电子质量变重的计算是建立在经典电磁场理论上，而不是相对论电磁场理论上，如果电磁场理论也采用了相对论效应，哪它就不能得到电子质量变重的结果。
3.电磁波及光的多普勒效应
在经典光学理论中有光速恒定原理，及光程与光的传播时间成正比，其比值为恒值c，其大小由真空的磁导率和介电常数决定，在真空中，光程等于光的几何路程，而光的几何路程由光学器件在空间几何距离决定，因为光学器件在空间几何距离有可能是变化的，相应的光程，光的传播时间也是变化，但始终有光程与光的传播时间成正比，其比值为恒值c,光程的变化会产生多普勒效应，对光的多普列效应本文分三种情形加以讨论：观察者沿视向，及光的传播方向运动;切向运动，即垂直于光的传播方向运动；既有视向又有切向的运动。
3.1沿视向运动时
设在t=0,动点和静点重合，光的第N个光波从动点和静点经过，而第光波从光源发出，静点与光源的几何距离为R,而动点顺着光的传播方向以速度作匀速直线运动，不难有动点与光源的几何距离为，，在真空中，光程是由光学器件在空间几何距离决定的，即有静点的光程为R，而动点光程为r(t)，设第光波到达静点的传播时间为，到达动点的传播时间为，则根据光速恒定不难有：
=c
（3-1）
静点在内，经过的光波为个光波，因此不难有静点光的频率，同样动点有。结合3-1式不难有：
而沿视向逆光作匀速直线运动，不难有动点的光程为，按照上面的推导不难有：
如果选择光线的传播方向为参考方向，则有动点的光的频率为，当动点顺着光线运动，为正，光的频率随速度增大而下降，而当动点逆光运动，为负。光的频率随速度增大而增大。
3.2切向运动时
设动点的切向速度为，则不难有动点的光程有，而第光波到达动点的时间为，则不难有
因为有静点为，所以有：
结合前面的推导，不难有光的切向运动时光的频率为：
3.3既有视向又有切向速度时
设动体的视向速度为，切向速度为，则不难有动点的光程为：
则有动点的光的传播时间为:
因此，得到光的多普勒系数为，如果我们与(2-3)式比较，二者的系数是一样，它们都是电磁场作用的不同形式。可以将其定义为电磁场的传播系数，光子的能量为,频率越高能量越大，。当动体顺着光线运动时即光对动体是加速，动体速度越高，动体接受到光子的频率越低，光子能量越小，加速能力就越低；而逆光运动，光对动体是减速，动体速度越高，动体接受到光子的频率越高，光子能量越高，对动体的阻力越大。这与静电场对带电动体作用相似.
4.麦克斯韦方程组的多普勒效应
经典麦克斯韦方程组的建立并没有考虑场源与观察者的相对运动关系，可以视经典麦克斯韦方程组为场源与观察者相对静止时的特例。在光的多普列系数推导中，光源发出的同一光波在相对运动与相对静止时的传播时间比为：
对麦克斯韦方程组而言，同一电位移变化量,磁通量的变化量,相对静止时的传播时间为，运动时为，则根据前面对光的多普列系数推导，不难有：
J是传导电流和运流电流遵循惯性运动规律，而封闭曲面的电位移通量等于封闭曲面内的自由电荷代数和，通过任何封闭曲面的磁通量总是零，它们都与场源与观察者运动与否无关，因此有：
类似，可以得到麦克斯韦方程组的微分形式：
5.总结
本文在借鉴洛伦兹推迟解的基础上对电磁场传播速度引起的滞后效应对电磁场作用的影响进行了探索，在光速恒定基础上，对光以及麦克斯韦的多普勒效应进行了探索，得到电磁场的传播系数，本文的探索希望有助于加深对电磁场理论方面的理解和认识。
参考文献
1.程守洙、江之永主编<<普通物理学>>高等教育出版社
2.高政祥主编<<原子和亚原子物理学>>北京大学出版社
3.彭恒武、徐锡申主编<<理论物理基础>>北京大学出版社
|
|
