電磁波與電場和磁場有關(guān)嗎

電磁波與電磁場有關(guān)嗎？摘要主流認(rèn)為：電磁波就是運動的電磁場，是根據(jù)麥克斯韋方程總結(jié)出來的，但是麥克斯韋方程一定正確嗎？電磁波與電磁場是兩個完全不同的物理概念，二者怎么可能相關(guān)呢？通過對麥克斯韋方程的分析，可以說明位移電流和渦旋電場的假設(shè)并不正確，變化的電場不能產(chǎn)生磁場，變化的磁場也不能產(chǎn)生電場，電磁波與電磁場沒有關(guān)系，電磁波與聲波一樣是介質(zhì)中的機(jī)械波。關(guān)鍵詞：麥克斯韋方程，電磁場，電磁波，以太麥克斯韋方程正確嗎？在科學(xué)的歷史上，對麥克斯韋方程的評價充滿了贊美之詞，很多人對它的評價非常高，甚至把它捧上神壇。但是麥克斯韋方程真的正確嗎？實際上，麥克斯韋方程僅僅來源于兩個假設(shè)，一個是位移電流假設(shè)，另一個是渦旋電場假設(shè)。但是，這兩個假設(shè)至今也沒有得到實驗的證明。位移電流假設(shè)在電磁學(xué)中，有一個很重要的定律——安培環(huán)路定律，這是一個經(jīng)過實驗檢驗的理論，并且可以由畢奧－薩伐爾定律導(dǎo)出，它反映了磁場與載流導(dǎo)線的關(guān)系：。但是，這個定律的成立是有條件的，并不是在任何條件下都成立（其條件為：導(dǎo)線是無限長的直導(dǎo)線，如果導(dǎo)線的長度是有限的或不是直的，安培定律就不成立）。麥克斯韋是在安培定律的基礎(chǔ)上，提出了位移電流假設(shè)，得到全電流定律：。但是，麥克斯韋的全電流定律也是有條件的，并不是在任何條件下都成立（與安培環(huán)路定律成立的條件相同）。最關(guān)鍵的是：麥克斯韋的位移電流假設(shè)引起了很大的爭論，位移電流能夠產(chǎn)生磁場嗎？最先否定位移電流假設(shè)的是RosserandG.V.W.[1]，北京大學(xué)物理系的趙凱華教授[2]直接否定了位移電流產(chǎn)生磁場，特別是清華大學(xué)物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句話：“直接論證了位移電流不激發(fā)磁場”，蘇景順、謝革英[4]從理論上證明了位移電流不能產(chǎn)生磁場。類似的文章還有很多，例如：朱久運[5]、李元勛[6]、江俊勤[7]等教授都是這個觀點，因此，麥克斯韋所提出的位移電流假設(shè)就有了很大的疑問，而且很多實驗證明：存在變化電場的情況下，測量不到磁場，例如：平板電容器中。在任何條件下都成立的只有畢奧－薩伐爾定律（還沒有發(fā)現(xiàn)它不成立的例子），或者說，沒有真實的電荷移動，就沒有磁場。渦旋電場假設(shè)電磁學(xué)中的另外一個重要定律是法拉弟電磁感應(yīng)定律：磁場中的一個導(dǎo)體回路，由于某種原因引起穿過回路的磁通量發(fā)生變化時，可以產(chǎn)生感生電動勢，且正比于磁通對時間的變化率：。麥克斯韋把法拉弟電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用范圍推廣到介質(zhì)或真空中的任意閉合曲線的情況，表示為，其中，E表示渦旋電場。但是，真理往前再跨一步就會成為謬誤，法拉弟定律的前提條件是：導(dǎo)體回路。如果沒有這個條件，法拉弟定律也不成立，麥克斯韋直接把這個條件去掉了，這個方程還能成立嗎？在導(dǎo)體回路中，產(chǎn)生感生電動勢的原因是洛侖茲力的作用，并不是電場的作用，如果沒有導(dǎo)體中的自由電子，無論磁通量如何變化也不可能產(chǎn)生出電場。因此，麥克斯韋的這個方程并不是在任何情況都成立，或者說，渦旋電場的產(chǎn)生需要一定的條件，例如，你在真空中無論如何揮動磁鐵，也不可能產(chǎn)生出電場。在任何條件下都成立的是電場強(qiáng)度的決定式：E=kq/r2，或者說電荷q必須存在。曾清平教授[8]在《大學(xué)物理實驗》雜志上連續(xù)發(fā)表了十篇關(guān)于法拉弟感應(yīng)定律的文章，他在文章中明確指出：“時變磁場不產(chǎn)生電場，法拉弟和麥克斯韋的磁生電都是錯誤的，感生電流的產(chǎn)生都是洛侖茲磁場力的作用結(jié)果，不是法拉弟磁通量變化率產(chǎn)生的電動勢，更不是磁通量變化率產(chǎn)生旋度電場的作用結(jié)果”?？上У氖牵簺]有引起學(xué)界的重視。綜上所述：“變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場”這種表述方法并不準(zhǔn)確，甚至是錯誤的，而且只是一種表象。其實質(zhì)是：沒有電荷就不會存在電場，沒有電荷的運動就不會存在磁場。波動方程的推導(dǎo)絕大多數(shù)的學(xué)者認(rèn)為：可以從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出波動方程。但必須有如下假設(shè)：?×H=?D/?t，?×E=-?B/?t，??B=0，??D=ρ，其中，D=εE，B=μH，c2=1/εμ。根據(jù)上述假設(shè)，確實可以推導(dǎo)出波動方程：?2E/?t2=c2?E，或?2H/?t2=c2?H，而且波動方程的解也可表示為：E=E0cos(ωt-kx+Φ)，或H=H0cos(ωt-kx+Φ)。但是，雖然用麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出波動方程，我認(rèn)為那也只是數(shù)學(xué)上的游戲，沒有任何物理上的意義，其原因如下：理想的平面波并不存在，假設(shè)電磁波為理想的平面波所推導(dǎo)出來的方程不具有普遍意義；?×H=?D/?t和?×E=-?B/?t這兩個假設(shè)，有可能在某種條件下成立，但在沒有自由電荷存在的情況下是不可能成立的，而且波動方程的解也不滿足這兩個假設(shè)，除非E0=ZH0，其中Z是真空波阻抗；波動方程的解也無法滿足??B=0，??D=ρ，而且，在自然界中，也沒有找到具有波動性的電場或磁場；在平面電磁波中，E和H是同相位的，同時變大或變小，這也是方程組無法解釋的，或者說，E和H都是從哪里來的？D=εE，B=μH，c2=1/εμ這三個假設(shè)的根據(jù)是什么？如果真空中什么都沒有，ε、μ這兩個物理量的物理意義是什么？電磁場的本質(zhì)電場和磁場都不能脫離源而存在在任何情況下，我們都可以運用電場強(qiáng)度的決定式E=kq/r2求出任何一點的電場強(qiáng)度（這里隱含了一個假設(shè)：電場沒有傳播速度，或傳播速度為無窮大），在任何情況下，都可以運用畢-薩定律求出任何一點的磁場強(qiáng)度，或者說，任何關(guān)于計算電場或磁場的強(qiáng)度公式都可以由這兩個基本公式推導(dǎo)出來，如果與這兩個基本公式相悖，其結(jié)果很可能都是錯誤的。電場與磁場的關(guān)系電場是電荷產(chǎn)生的，沒有電荷就沒有電場，磁場是運動電荷產(chǎn)生的，沒有電荷的運動就沒有磁場。根據(jù)電場強(qiáng)度的決定式和畢—薩定律可以得出：。從這個關(guān)系式可以看出：當(dāng)電荷的運動速度一定時，在任何一個觀察點，磁場與電場之比是一個常數(shù)，與距電荷的距離無關(guān)，也說明了當(dāng)電場強(qiáng)度一定時，磁場只與相對速度有關(guān)。從電場與磁場的關(guān)系可以看出：電場是本來就有的，只要有帶電粒子存在，它是粒子的屬性，但磁場與電場完全不同，它只有帶電粒子運動時才存在，沒有運動就沒有磁場。電場與磁場的本質(zhì)所謂的“場”，是為了解釋“超距作用”而被引入到物理中的，它是一個抽象概念，指的是具有相互作用的空間，場被定義為物質(zhì)的固有屬性，是物質(zhì)與生俱有的。電場，是一種真正的“場”，它是帶電粒子的固有屬性，與引力場具有相似的性質(zhì)。但是，磁場并不是真正的“場”，而是一種帶電粒子的運動效應(yīng)。電場與磁場具有本質(zhì)上的區(qū)別，一個是帶電粒子固有的性質(zhì)，與觀察者無關(guān)，另一個是帶電粒子相對觀察者運動時才產(chǎn)生的效應(yīng)。電磁波是什么？所謂的“波”，是指介質(zhì)中的振動，是能量在介質(zhì)中的傳播。電磁波是“波”，沒有人懷疑，它具有一切機(jī)械波的所有性質(zhì)，與空氣中的聲波具有非常相似的性質(zhì)，很多在聲波的定理、公式可以在電磁波中直接應(yīng)用。如果用電磁場的理論解釋電磁波，很多電磁波的性質(zhì)根本無法解釋，因為場與波是兩種完全不同的物理概念，二者風(fēng)馬牛不相及。電磁波是什么波呢？本文認(rèn)為：電磁波就是以太[9]中的波，是粒子在以太中振動形成的。之所以稱為電磁波，完全是歷史的誤會。如果電磁波是以太中的波，所有的物理量才具有物理意義：E代表以太壓強(qiáng)的變化量，H代表體積元的速度，ε代表以太的體積壓縮系數(shù)，μ代表以太的密度，Z=E0/H0、c2=1/εμ才是合理的。電磁波的產(chǎn)生電磁波與其它波一樣，其產(chǎn)生的必要條件是：粒子的振動，電場或磁場的變化并不能產(chǎn)生電磁波。如圖1所示的電路中，如果把線圈屏蔽，無論線圈中的信號如何變化，也無法產(chǎn)生電磁波，但磁棒（鐵氧體）的周圍卻存在變化的電場和變化的磁場，說明了變化的電場和磁場是無法產(chǎn)生電磁波的。圖1.只產(chǎn)生交變電場和磁場的磁棒那么，電磁波是如何產(chǎn)生的呢？實際上，任何波的產(chǎn)生必須要有物體的振動，或者說，任何物體的振動都可以產(chǎn)生波，但這個物體的加速度不能是常數(shù)。在天線中，產(chǎn)生電磁波的必要條件是電子的振動，在天線中，電子是如何振動的呢？如圖2所示，是一個常見的半波天線發(fā)射系統(tǒng)，它是由兩個長度為λ/4的導(dǎo)體組成，發(fā)射機(jī)的作用是從一個導(dǎo)體中抽取電子，傳遞給另一個導(dǎo)體。圖2.電磁波的產(chǎn)生如果交變的電流能夠產(chǎn)生電磁波，就不需要對天線系統(tǒng)提出其他要求，只要天線上存在足夠強(qiáng)的電流即可。為什么要對天線提出很多的要求呢？是為了使電子獲得充分的振動。電子是如何振動的？當(dāng)發(fā)射機(jī)對其中一個導(dǎo)體注入電子時，由于導(dǎo)體內(nèi)部不能長時間存在凈電荷，多余的電子將會向?qū)w的表面運動（趨膚效應(yīng)），但是電子又無法脫離導(dǎo)體，就會象氣球從水中浮出一樣，在導(dǎo)體的表面形成振動（這也是形成高次諧波的主要原因）。為什么天線導(dǎo)體的長度為λ/4？為了使電子振動的強(qiáng)度最大。由于電子的密度波（相當(dāng)于水管中的水擊波）速度與光速相近，當(dāng)導(dǎo)體的長度為λ/4時，會導(dǎo)致密度波的疊加，從而增加電磁波的強(qiáng)度。電磁波的強(qiáng)度與天線上電子的振動有關(guān)，可以通過波動方程描述；電場的強(qiáng)度與天線上的電勢有關(guān)，與電流強(qiáng)度無關(guān)，可以通過電場強(qiáng)度的決定式求出；磁場的強(qiáng)度與天上的電流強(qiáng)度有關(guān)，與天線上的電勢無關(guān)，可以通過畢—薩定律求出。電場和磁場構(gòu)成天線的近場，電磁波構(gòu)成天線的遠(yuǎn)場?？梢钥闯觯哼@三個物理量都沒有直接的關(guān)系。電磁波的偏振任何介質(zhì)中的波，是否偏振是由波源決定的，如果波源縱向振動的同時還存在橫向運動，那么，它所產(chǎn)生的波一定是偏振的，如果橫向運動是一維的，它就是線偏振，如果是二維的，它就是橢圓偏振。在天線上，由于電子振動的位置是變化的，也就是說，電子振動最大值的位置是隨著時間改變的，因此，天線所輻射的電磁波也是偏振的，如果天線是直的，電磁波就是線偏振，如果天線是圓形的，電磁波就是圓偏振。電磁波的傳播在天線周圍，即存在電磁場，也存在電磁波，但電磁場是無法向外傳播的，因為它只能存在于天線的周圍。電磁波的傳播方式與聲音在空氣中的傳播方式是相似的，所不同的是：空氣介質(zhì)的運動是簡諧振動，而電磁波介質(zhì)的的運動方式是橢圓運動。有一位知乎網(wǎng)友SiCo，在《失落的秘密——基于以太的電磁波模型》中，給出了電磁波在以太中的傳播過程。他在文中寫到：“當(dāng)我看到這個基于以太的模型的時候，一下子被震撼到了，這解釋了我若干天以來對電磁波的若干困惑：電磁波的形狀，電磁波怎么傳輸，磁場和電場到底什么關(guān)系，電磁波為什么沒有能量耗散，電磁波的方向，所有的問題，被這個模型一下子就解決了。這個基于以太的電磁波模型，實在是太美了！這就是物理的美，甚至勝過數(shù)學(xué)的美！用一個形象驅(qū)動，遠(yuǎn)勝過用一堆算式去推導(dǎo)”。詳情請參閱：/p/310097037結(jié)論電磁波與電磁場是兩個完全不同的概念，二者幾乎沒有關(guān)系，電磁波實際上是以太中的波（麥克斯韋也承認(rèn)以太的存在），把電磁波當(dāng)作運動的電磁場，是否定以太后的無奈之舉。參考文獻(xiàn)[1]Rosser,andG.V.W.."Doesthedisplacementcurrentinemptyspaceproduceamagneticfield?."Am.j.phys44.12(1976):1221-1223.[2]趙凱華.位移電流不激發(fā)磁場簡例[J].大學(xué)物理，2001,20(6):40-40[3]高炳坤.對《位移電流不激發(fā)磁場簡例》一文的補(bǔ)充[J].大學(xué)物理,2002,21(9):30-31.[4]蘇景順,謝革英.似穩(wěn)條件下位移電流不激發(fā)磁場的證明及其例證[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2007,25(4):3[5]朱久運.關(guān)于位移電流激發(fā)的磁場[J].大學(xué)物理，1983，2(11)：9-12[6]