论电场和磁场的关系

探讨电与磁的关系 一、电的性质一、电的性质 （一）电荷特性（一）电荷特性 电荷（electric charge），带正负电的基本粒子，称为电荷， 带正电的粒子叫正电荷（表示符号为“+”），带负电的粒子叫负电 荷（表示符号为“﹣”）。也是某些基本粒子 (如电子和质子)的属 性，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 在电磁学里，电荷（ Electric charge）是物质的一种物理性 质。称带有电荷的物质为“带电物质”。两个带电物质之间会互相 施加作用力于对方，也会感受到对方施加的作用力，所涉及的作用 力遵守库仑定律。电荷分为两种，“正电荷”与“负电荷”。带有 正电荷的物质称为“带正电”；带有负电荷的物质称为“带负 电”。假若两个物质都带有正电或都带有负电，则称这两个物质 “同电性”，否则称这两个物质“异电性”。两个同电性物质会相 互感受到对方施加的排斥力；两个异电性物质会相互感受到对方施 加的吸引力。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。 电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。称带有电 荷的粒子为“带电粒子”。电荷决定了带电粒子在电磁方面的物理 行为。静止的带电粒子会产生电场，移动中的带电粒子会产生电磁 场，带电粒子也会被电磁场所影响。一个带电粒子与电磁场之间的 相互作用称为电磁力或电磁相互作用。这是四种基本相互作用中的 一种。 （二）电场及电场线特性（二）电场及电场线特性 电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场 这种物质与通常的实物不同，它不是由分子原子所组成，但它是客 观存在的，电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场 的力的性质表现为：电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为 电场力。电场的能的性质表现为：当电荷在电场中移动时，电场力 对电荷做功（这说明电场具有能量）。只要电荷存在它周围就存在 电场，电场是客观存在的，它具有力和能的特性。 电场线，电场线是为了直观形象地描述电场分布，在电场中引 入的一些假想的曲线。曲线上每一点的切线方向和该点电场强度的 方向一致；曲线密集的地方场强强，稀疏的地方场强弱。 在任何电场中，每一点场强都有一定的方向。据此，我们可以 在电场中画出一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都和该点的场 强方向一致，这些线称为电场线。 在没有电荷的空间，电场线具有不相交、不中断的特点．静电 场的电场线还具有下列性质：(1)电场线不闭合，始于正电荷或无穷 远处终止于无穷远或负电荷； (2)电场线垂直于导体表面； (3)电场 线与等势面垂直。 感生电场的电场线具有下述特性： (1)电场线是闭合曲线； (2) 闭合的电场线包围磁感线。 电场线上标有箭头，表示线上各点切线应取的正方向(即该点的 场强方向)。利用电场线，可确定它所通过的每一点的场强的方向， 因而也就可以表示出放在该点上的正电荷所受电场力的方向。但要 注意，一般情况下，电场线并非是正电荷受电场力作用而运动的轨 道。因为电荷运动方向(即速度方向)不一定沿力的方向。 二、磁的特性二、磁的特性 （一）“磁荷”概念（一）“磁荷”概念 磁荷，是磁单极子的基本量化单位。磁荷在客观上是不存在 的，它是在磁场场源特征描述中借助于电荷概念的一种形象的比 喻，是历史遗留下的粗浅概念。人们假定，在N 极上聚集着正磁 荷，在 S 极上聚集着负磁荷。由此可以将磁现象与电现象类比，得 出一系列相似的定律，引入相似的概念。例如磁的库仑定律、磁场 强度、磁势、磁偶极矩等。 磁单极子，是理论物理学弦理论中指一些仅带有 N 极或 S 极单 一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分 布。 科学界之所以如此感兴趣于磁单极子，是因为磁单极子在粒子 物理学当中的重要性，大统一理论和超弦理论都预测了它的存在。 这种物质的存在性在科学界时有纷争，截至 2013 年末，尚未发现以 基本粒子形式存在的磁单极子。可以说是 21 世纪物理学界重要的研 究主题之一。 （二）磁场及磁感线性质（二）磁场及磁感线性质 磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分 子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体 周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两 磁体不用接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周 围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流， 电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变 化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终 极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此 负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点 物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生 的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的 磁场。 磁感线（Magnetic Induction Iine）：在磁场中画一些曲线， 用（虚线或实线表示）使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的 磁场方向相同（且磁感线互不交叉），这些曲线叫磁感线。磁感线 是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁感线的方向。磁铁 周围的磁感线都是从 N 极出来进入 S 极，在磁体内部磁感线从 S 极 到 N 极。 磁力线是人为的假设的曲线。磁力线有无数条，磁力线是立体 的，所有的磁力线都不交叉，磁力线总是从 N 极出发，进入与其最 邻近的 S 极并形成。等等这些都是人的想象。基于一个有趣的小实 验的想象。这个实验只需要一个条形磁铁，一些铁屑在一块平板玻 璃上就可以展示。 三、电场与磁场的关系三、电场与磁场的关系 （一）高中物理级别的答案（一）高中物理级别的答案  静止的电荷产生电场，有库仑定律描述；  带电粒子无论运动状态都受电场作用；  运动的带电粒子在磁场中受到洛伦兹力；  电流产生磁场。 以上四个都是我们熟悉的事实。怎样看出电场和磁场其实是同 一个东西呢，想象一个通有电流的导线，一个带电粒子离导线一段 距离有一个沿电流方向的速度。经过简单的分析，导线会产生磁 场，带电粒子会受到导线的吸引力。但是，我们总可以变换参考 系，使得带电粒子在新参考系下静止。如果考虑相对性原理，那么 这个粒子在新参考系下也必须受到导线的吸引力。一个静止的带电 粒子，只能受到电场的作用。这就是磁场和电场在变换参考系下互 相转换的最简单的模型。不仅可以算出新参考系下电场的大小，而 且可以通过这个大小反推出新参考系下导线的电荷密度。这个电荷 密度是洛伦兹收缩效应导致的。我们中学学习的简单的电磁学事 实，就已经蕴含了狭义相对论的很多结论。 （二）未来探索答案（二）未来探索答案 关于电磁感应，则不能作为电与磁是同一种东西的证据！电磁 互相转化只能说明这两个东西的运动方程互相耦合，但如果没有对 称性的话，它们还是两种不同的物质。就像不同夸克之间也能互相 转化，三代中微子之间也会发生震荡，但通常我们把这些情况称为 有不同物质。而夸克的三种颜色、电子的不同自旋态、电场与磁 场，这些是由（完整的）对称性联系的，而对称性意味着我们换一 个角度它们就会互相转化，而不需要经历什么物理过程。只有这样 我们才把它们称为同一种物质。 虽然从不同角度看电磁场可以互相转化，但是通