論電場和磁場的關系

1、探討電與磁的關系一、電的性質（一）電荷特性電荷（electriecharge），帶正負電的基本粒子，稱為電荷，帶正電的粒子叫正電荷（表示符號為“+”），帶負電的粒子叫負電荷（表示符號為“-”）。也是某些基本粒子（如電子和質子）的屬性，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。在電磁學里，電荷（Electriecharge）是物質的一種物理性質。稱帶有電荷的物質為“帶電物質”。兩個帶電物質之間會互相施加作用力于對方，也會感受到對方施加的作用力，所涉及的作用力遵守庫侖定律。電荷分為兩種，“正電荷”與“負電荷”。帶有正電荷的物質稱為“帶正電”；帶有負電荷的物質稱為“帶負電”。假若兩個物質都帶有正電或都帶有

2、負電，則稱這兩個物質“同電性”，否則稱這兩個物質“異電性”。兩個同電性物質會相互感受到對方施加的排斥力；兩個異電性物質會相互感受到對方施加的吸引力。同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。電荷是許多次原子粒子所擁有的一種基本守恒性質。稱帶有電荷的粒子為“帶電粒子”。電荷決定了帶電粒子在電磁方面的物理行為。靜止的帶電粒子會產生電場，移動中的帶電粒子會產生電磁場，帶電粒子也會被電磁場所影響。一個帶電粒子與電磁場之間的相互作用稱為電磁力或電磁相互作用。這是四種基本相互作用中的一種。（二）電場及電場線特性電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質。電場這種物質與通常的實物不同，它不是由分子原子所組成

3、，但它是客觀存在的，電場具有通常物質所具有的力和能量等客觀屬性。電場的力的性質表現為：電場對放入其中的電荷有作用力，這種力稱為電場力。電場的能的性質表現為：當電荷在電場中移動時，電場力對電荷做功（這說明電場具有能量）。只要電荷存在它周圍就存在電場，電場是客觀存在的，它具有力和能的特性。電場線，電場線是為了直觀形象地描述電場分布，在電場中引入的一些假想的曲線。曲線上每一點的切線方向和該點電場強度的方向一致；曲線密集的地方場強強，稀疏的地方場強弱。在任何電場中，每一點場強都有一定的方向。據此，我們可以在電場中畫出一系列曲線，使曲線上每一點的切線方向都和該點的場強方向一致，這些線稱為電場線。在沒有電

4、荷的空間，電場線具有不相交、不中斷的特點.靜電場的電場線還具有下列性質：（1）電場線不閉合，始于正電荷或無窮遠處終止于無窮遠或負電荷；（2）電場線垂直于導體表面；（3）電場線與等勢面垂直。感生電場的電場線具有下述特性：（1）電場線是閉合曲線；（2）閉合的電場線包圍磁感線。電場線上標有箭頭，表示線上各點切線應取的正方向（即該點的場強方向）。利用電場線，可確定它所通過的每一點的場強的方向，因而也就可以表示出放在該點上的正電荷所受電場力的方向。但要注意，一般情況下，電場線并非是正電荷受電場力作用而運動的軌道。因為電荷運動方向（即速度方向）不一定沿力的方向。等量異種點電荷的電場孤立點電荷的電場等量同種

5、點電荷的電場勻強電場點電荷與金屬板間的電場（一）“磁荷”概念磁荷，是磁單極子的基本量化單位。磁荷在客觀上是不存在的，它是在磁場場源特征描述中借助于電荷概念的一種形象的比喻，是歷史遺留下的粗淺概念。人們假定，在N極上聚集著正磁荷，在S極上聚集著負磁荷。由此可以將磁現象與電現象類比，得出一系列相似的定律，引入相似的概念。例如磁的庫侖定律、磁場強度、磁勢、磁偶極矩等。磁單極子，是理論物理學弦理論中指一些僅帶有N極或S極單一磁極的磁性物質，它們的磁感線分布類似于點電荷的電場線分布?？茖W界之所以如此感興趣于磁單極子，是因為磁單極子在粒子物理學當中的重要性，大統(tǒng)一理論和超弦理論都預測了它的存在。這種物質的

6、存在性在科學界時有紛爭，截至2013年末，尚未發(fā)現以基本粒子形式存在的磁單極子?？梢哉f是21世紀物理學界重要的研究主題之一。（二）磁場及磁感線性質磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發(fā)生作用。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產生的。用現代物理的觀點來考察，物質中能夠形成電荷的終極成分只有電子（帶單位負電荷）和質子（帶單位正電荷）

7、，因此負電荷就是帶有過剩電子的點物體，正電荷就是帶有過剩質子的點物體。運動電荷產生磁場的真正場源是運動電子或運動質子所產生的磁場。例如電流所產生的磁場就是在導線中運動的電子所產生的磁場。磁感線（MagneticInduetionline）:在磁場中畫一些曲線，用（虛線或實線表示）使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同（且磁感線互不交叉），這些曲線叫磁感線。磁感線是閉合曲線。規(guī)定小磁針的北極所指的方向為磁感線的方向。磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來進入S極，在磁體內部磁感線從S極到N極。磁力線是人為的假設的曲線。磁力線有無數條，磁力線是立體的，所有的磁力線都不交叉，磁力線總是從N極出發(fā)

8、，進入與其最鄰近的S極并形成。等等這些都是人的想象?；谝粋€有趣的小實驗的想象。這個實驗只需要一個條形磁鐵，一些鐵屑在一塊平板玻璃上就可以展示。三、電場與磁場的關系（一）高中物理級別的答案A靜止的電荷產生電場，有庫侖定律描述;帶電粒子無論運動狀態(tài)都受電場作用;運動的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力；電流產生磁場。以上四個都是我們熟悉的事實。怎樣看出電場和磁場其實是同一個東西呢，想象一個通有電流的導線，一個帶電粒子離導線一段距離有一個沿電流方向的速度。經過簡單的分析，導線會產生磁場，帶電粒子會受到導線的吸引力。但是，我們總可以變換參考系，使得帶電粒子在新參考系下靜止。如果考慮相對性原理，那么這個粒子

9、在新參考系下也必須受到導線的吸引力。一個靜止的帶電粒子，只能受到電場的作用。這就是磁場和電場在變換參考系下互相轉換的最簡單的模型。不僅可以算出新參考系下電場的大小，而且可以通過這個大小反推出新參考系下導線的電荷密度。這個電荷密度是洛倫茲收縮效應導致的。我們中學學習的簡單的電磁學事實，就已經蘊含了狹義相對論的很多結論。（二）未來探索答案關于電磁感應，則不能作為電與磁是同一種東西的證據！電磁互相轉化只能說明這兩個東西的運動方程互相耦合，但如果沒有對稱性的話，它們還是兩種不同的物質。就像不同夸克之間也能互相轉化，三代中微子之間也會發(fā)生震蕩，但通常我們把這些情況稱為有不同物質。而夸克的三種顏色、電子的不同自旋態(tài)、電場與磁場，這些是由（完整的）對稱性聯(lián)系的，而對稱性意味著我們換一個角度它們就會互相轉化，而不需要經歷什么物理過程。只有這樣我們才把