23劉永昌_淺談電與磁的聯(lián)系

1、淺談電與磁的關(guān)系辯證法的體現(xiàn)電磁現(xiàn)象是和我們的生活、生產(chǎn)關(guān)系最密切的一種口然現(xiàn)象。但人們對它 的認(rèn)識卻經(jīng)歷了一個復(fù)雜的過程。17、18世紀(jì)時，人們對靜電和靜磁的作用有 了一些規(guī)律性的認(rèn)識，法國科學(xué)家在18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了靜電荷z間和靜磁極z間相 互作用的規(guī)律即庫侖定律。1800年z后，人們總結(jié)出了電流運(yùn)動的成律即歐姆定律。后乂發(fā)現(xiàn)了電流同 其他運(yùn)動形式如熱、化學(xué)變化等現(xiàn)象之間的聯(lián)系，進(jìn)而考慮電流和磁現(xiàn)象之間有 沒有聯(lián)系的問題。徳國科學(xué)家謝林認(rèn)為£1然界的各種現(xiàn)象如光、電、磁之間都是 相互聯(lián)系的。丹麥物理學(xué)家奧斯特在謝林的觀點影響氏經(jīng)過長期的研究，終丁在 1820年4月通過實驗發(fā)現(xiàn)：將磁針放

2、在根自北向南通以電流的導(dǎo)線卜面，磁針 北極便向東偏轉(zhuǎn)：如放在導(dǎo)線上面則向西偏轉(zhuǎn)。由此他發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。后 又經(jīng)過60多次實驗，證實電流周圍有磁場存在，磁場對磁針有吸引或排斥的作 用。爾后，法國物理學(xué)家安培在奧斯特的發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，得岀了 安培定律和安培定則，并提出了物體磁性的分子電流假說。這樣，電能轉(zhuǎn)化為磁 已被證實。反過來，磁能否轉(zhuǎn)化為電呢?英國的拉法第經(jīng)過十年的努力，發(fā)現(xiàn)了 變化的磁場可以產(chǎn)生感應(yīng)電流：電流冋路中電鍵的忽開忽關(guān)，磁石在線圈中移進(jìn) 移出，都可以在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。也就是說動磁即磁力線變化可以產(chǎn)生電。 至此，實現(xiàn)了人類對電和磁這對矛盾的相互轉(zhuǎn)化的較為完整的認(rèn)識

3、。后來，麥克 斯偉進(jìn)步用數(shù)學(xué)分析的方法，總結(jié)了從庫侖到拉法第的工作，得到了麥克斯偉方 程組：電場的變化產(chǎn)生磁場，磁場的變化產(chǎn)生電場，電場和磁場的對立同一就是 屯磁場，電磁場內(nèi)部電和磁的相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電磁波，光就是種電磁波。至此麥克 斯偉建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁理論。電與磁是緊密聯(lián)系的，就像李生兄弟一樣，有許多相似之處乂有許多不同之 處,但他們是相互依存的。研究電與磁總離不開電場與磁場。從不同參考系觀測， 同一電磁場可表現(xiàn)為只是電場，或只是磁場，或電場和磁場并聯(lián)。電磁感應(yīng)和電 磁波就是電場與磁場相互聯(lián)系的規(guī)律。下面來講一些關(guān)于電與磁的聯(lián)系。場是看不見、摸不著但卻乂實際存在的東西。電場與磁場有太多的相似

4、z處。 以前人們以為電荷與電荷之間的作用是一種超距作用。即一個電荷對另一個電荷 的作用力是隔著一定空間直接給予的，不需要媒介和時間。但這很明顯違背了光 速最大原理。實際上后來證明電荷z間的作用力是通過場來傳遞的。從木質(zhì)上來看，電場與磁場都是由于電荷之間相互作用產(chǎn)生的，屯荷周圍都 有電場，但只有運(yùn)動的電荷才會產(chǎn)生磁場。從電荷之間的和互作用力也可以看出 這點。運(yùn)動電荷對運(yùn)動電荷產(chǎn)生的磁力就是通過磁場來實現(xiàn)的。其他三種（靜止 電荷對靜止電荷、靜止電荷對運(yùn)動電荷、運(yùn)動電荷對靜止電荷）z間的作用力是 通過電場來實現(xiàn)的，即產(chǎn)生了電場。所以電場與磁場經(jīng)常同時存在。從人們認(rèn)識電與磁的過程來看，由于場是看不見、

5、摸不著的，所以人們往往 根據(jù)現(xiàn)象來研究實質(zhì)，即不管是電場還是磁場都是先通過研究電荷之間的作用力 再來研究場的。電場就是從最開始的丿車倫定律（研究靜電力）才開始研究靜電場 的。磁場也是通過研究磁力得出的。研究電場其大小、方向很重要。場強(qiáng)的定義 就是f/q,而磁感應(yīng)強(qiáng)度就是研究磁力提出來的（b= f/il、df = ldlxb等）。 這是電與磁的一種很重要的相似點。從有關(guān)電與磁的特征量來看，他們有很好的對應(yīng)關(guān)系。電場強(qiáng)度e與磁感應(yīng) 強(qiáng)度b,都i|j反應(yīng)場的強(qiáng)度的量；電位移d與磁場強(qiáng)度h；電通量與磁通量； 電介質(zhì)與磁介質(zhì)等等。電與磁是緊密聯(lián)系的，所以其特征量有一種對應(yīng)關(guān)系，即 物理中的一種對稱現(xiàn)彖。

6、從一些電與磁的規(guī)律及分析方法來看，這也存在很完美的對稱關(guān)系。e的高 斯定律通安培環(huán)路定律。e的高斯定律：在真空的靜電場內(nèi)，通過任意封閉曲面 的電通量等于該封閉面所包圍的電荷的電量的代數(shù)和的1/勺倍。e的高斯定律是 用電通量來表示的電場和場源電荷關(guān)系的定律，它給出了通過任一封閉面的電通 量與封閉面內(nèi)部所包圍的屯荷的關(guān)系。而安培環(huán)路定理：在恒定電流的磁場屮, 磁感應(yīng)強(qiáng)度b沿任何閉合路徑l的線積分等于路徑l所包圍的電流強(qiáng)度的代數(shù)和 的“°倍。這是研究恒定電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度b的關(guān)系。從其內(nèi)容上看，都是研究 閉合路徑或曲面的。第二，d的高斯定律與h的環(huán)路定律。d的高斯定律：通過 任意封閉面的屯位

7、移通量等于該封閉面包圍的自由電荷的代數(shù)和。這也是由e 的高斯定律推出來的，相比較而言，d的高斯定律考慮了電介質(zhì)朿縛電荷的作用。 h的環(huán)路定理：沿任一閉合路徑磁場強(qiáng)度的環(huán)路積分等于該閉合路徑所包圍的口 由電流的代數(shù)和。這是由安培環(huán)路定理推出來的，考慮了磁介質(zhì)的束縛電流。從 這些來看，這些定律很相似，艾實這是聯(lián)系電與磁的重要紐帶。再看看分析有關(guān) 電與磁問題的方法，對稱性分析適用很廣泛，成為電磁學(xué)不可缺少的一種重要分 析方法。例如利用高斯定律求靜電場的分布、利用安培環(huán)路定理求磁場的分布等。 這些都反映了研究電學(xué)問題與研究磁學(xué)問題有很大的共性，這也是電與磁緊密聯(lián) 系的一個重要體現(xiàn)。以上種種只是反映電磁

8、相互聯(lián)系的體現(xiàn)，究竟電與磁的聯(lián)系是怎樣的呢？偉 大的物理學(xué)家麥克斯韋建立的麥克斯韋方程組就是很好的詮釋。其方程組： bds=q0 徉.石=一畔虧這是其積分表示形式。它反映，屯場的變化產(chǎn)生磁場，磁場的變化產(chǎn)生電場，電 場和磁場的對立同一就是電磁場，屯磁場內(nèi)部屯和磁的相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生屯磁波，光 就是種電磁波。至此麥克斯偉建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁理論。電磁學(xué)向我們證明：客觀事物是矛盾體。是對立同一，其矛盾方面是相互聯(lián) 系的和相互轉(zhuǎn)化的。列寧說過。統(tǒng)一物z分解為兩個部分以及對其矛盾著的齊部 分的認(rèn)識，是辯證法的實質(zhì)。人類對電磁場這一統(tǒng)一物的兩個矛盾著的部分即電 場和磁場的認(rèn)識，以及所揭示的屯和磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化

9、的規(guī)律，正是客觀事物的 辯證實質(zhì)，它證明了辯證法的正確性，是辯證法完美的體現(xiàn)。我們生活在這個科技的時代，生活中的電磁學(xué)應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)。例如發(fā)電機(jī)， 電動機(jī)都是這些完美的結(jié)合。電與磁是分不開的，隨著愛因斯坦創(chuàng)立相對論，我 們對電與磁的了解更加加深，根據(jù)電磁現(xiàn)象的規(guī)律必須滿足相對論時空洛侖茲變 換（這本質(zhì)上是自然界的一種重要的對稱性）的要求，可以證明，從不同的參考 系觀測，同一電磁場可表現(xiàn)為只是電場，或只是磁場，或電場與磁場并存。更確 切地說，表征電磁場的物理量電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度一一是隨參考系改變的。 這說明電磁場是一個統(tǒng)一的實體，而見麥克斯韋方程紐可以在此基礎(chǔ)上加以統(tǒng)一 的論證。辯證存在與生活的每個角落，因為任何事都是一個矛盾體。研究電與磁的關(guān) 系