電磁學體系下運動電荷電場與磁場的聯系分析

康勇

摘 要：電磁場在物質世界中發揮重要作用。在生產領域、科技領域中，很多問題都與電磁場存在密切聯系。電荷在運動過程中會產生電流，運動狀態不均勻、變化較快的電流會生成輻射磁場。對恒定電流而言，長電直導線附近只有穩定磁場，而無電場，變化的電流則會生成紊亂的磁場，此種磁場又能產生電磁感應。因此，電場和磁場會相互作用產生電磁波。

關鍵詞：電磁學 運動電荷 電場 磁場

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0060-02

電磁學是物理學的重要分支，研究電和磁的相互作用表現出的各種現象。分析近代物理學理論，磁現象產生于運動電荷。電流具備磁效應，磁場也有電效應，從現象層面說明電場與磁場之間存在聯系。實際上，在電磁場處于不同參考系時，就會表現出不同的性質，這些差異導致電場與磁場的產生，表明電場與磁場均屬于電磁場在不同參考系下的兩種表現形式。

1 電場與磁場分析

1.1 電場

電場是電荷變化和磁場附近存在的特殊物質，此種物質與通常意義的物質不同，并非由分子、原子等粒子構成，但可以通過很多現象和證據證明其存在。研究表明，電場和一般物質在力、能量等方面表現出相同的性質。但兩者也存在不同之處：進入電場中的電荷會受到電場的作用，產生電場力。如果電荷在電場中發生位移，則表明電場力對電荷做功。電場屬于矢量場，具體方向和正電荷受到作用力的方向一致。

1.2 磁場

能生成磁力的空間存在磁場，也是特殊形態的物質。磁體附近存在磁場，磁場是磁體彼此產生作用力的媒介。磁體之所以能產生磁性，主要是在電流的作用下實現的。即磁場來源于運動電荷、變化磁場。磁場存在的基本特性就是對場內的運動電荷施加影響，其對磁體和電流施加的作用力就是如此產生[1]。

2 電磁學體系下運動電荷電場與磁場存在的關系

2.1 研究歷程

以前，人們認為磁與電各自獨立，不存在關聯。麥克斯韋研究出的電磁理論，促使電場與磁場統一在一個理論體系之下，從宏觀角度解釋了一切電場、磁場現象。更重要的是，其也將光學理論納入到這個理論體系之下，對人們認識客觀世界產生重要影響。電磁學和經典電動力學存在較為密切的關聯，在內容和原則上并不存在差別[2]。前者側重研究電磁情況，后者則更注重理論。在麥克斯韋發布《電磁論》之后，由于理論過于艱澀，且無法在當時的條件下得到實驗的證明，因而在較長一段時間內沒有受到應有關注[3]。1885年，赫茲在一次實驗中發現，將一束電流輸入到線圈之后，次級繞組的兩側就會產生電火花，當時認為這屬于電磁共振。于是在次年設計了一個感應器，放置在直線振蕩器周圍，利用電流造成間隙出現火花，此種情況就是電磁波的產生與傳遞現象。隨后，赫茲通過一系列實驗證明電場與磁場的真實存在，從實證角度證明麥克斯韋理論的科學性，至此，麥克斯韋的電磁理論在世界范圍內引起轟動。

2.2 電場與磁場的理論聯系

兩者都是矢量場，均有大小與方向。但電場存在源場，具體而言，散度不是0，磁場則沒有源場，散度是0。在電場中，沒有處于閉合狀態的電場線，屬于無旋場。磁場中的磁場線則總是處于閉合狀態，存在旋場。對磁感應強度而言，其與電場強度相比而言，兩者均是使用比值方式進行定義的物理量，均能對場的強弱與方向進行表示。前者只有在將一段通電導線以90°放進磁場之中時才能順利得到應用，導線在磁場中沒有受到磁力的影響，并不代表沒有強度。因為此種情況還可能是因為導線和磁場保持平行狀態導致的。對同一個導線而言，在勻強磁場中的不同方向時均會表現出不同的磁場力。電荷在沒受到電磁力影響時，電場強度為0，一個電荷處于勻強電場時，承受的電場力屬于恒力。對磁感線而言，其與電場線均是研究人員為了直觀地研究兩種場而假設存在的曲線，在現實中并不存在，但可在實驗中借助技術手段對其進行模擬，兩種線的疏密程度都會對場的程度進行描述。但是兩者存在明顯的差別，前者處于閉合狀態， 后者則屬于非閉合曲線。安培定律主要用于判定電流方向，能實現對磁感線的判定。在此理論中，電流是理論產生的源頭，引發后續結果的是磁感線。此理論中的電流包括直線和圓環兩種形式。左手定律則是對電流、運動電荷在受到外部磁場影響時，表現出的電流方向、磁場方向以及作用力方向的一種理論。安培力是一種磁場力，洛倫茲力也具備此種性質，導體中的全部電荷在受到洛倫茲力影響后直接對導體產生影響，表現出的就是安培力，安培力也就是洛倫茲力在宏觀角度上的體現。兩種力的方向均可利用左手定律進行判定，在對安培力進行分析時，4根手指順著電流方向擺放，對洛倫茲力進行判定時，4根手指則順著正電荷的前行方向擺放，在能確定負電荷運動方向的情況下，也可將4根手指順著其反方向進行擺放。對洛倫茲力而言，受到影響的對象是運動電荷，并未對運動電荷發揮做功作用。安培力的影響對象則是出于通電狀態的導體，且能對導體做功。

2.3 電場與磁場的關系

為了研究便利，此次研究以運動電荷對導體產生圓環運動為例，分析產生于運動電荷的電場與磁場之間的根本聯系。當點電荷以一定速度圍繞圓環形的導體進行運動時，在各種參考系下，電場和磁場的強度均會有不同表現，如果以圓環為慣性參考系，這個參考系可以對電場產生感應，也必然會感應到磁場。因為，在電場運動時，產生的電流能形成磁場。如果將點電荷所在的參考系作為慣性參考系，圓環的運動方向則為左，此參考系只能感應到靜電場，無法感應到磁場。由于麥克斯韋方程能在任何慣性下發揮作用。因此，在圓形參考系下要符合高斯定理的要求。但此處需要注意，處于此參考系下的電場在時間推移的情況下不斷發生改變，因此選定適當時機使用高斯定理，通過一系列計算后發現，圓環參考系雖然能對磁場產生感應，但并未處于完全獨立的狀態，這種情況和此參考系能感應到電場有關。因此，不管是點電荷運動，還是圓環運動，具體表現存在差異均是由于參考系不同，根據相對性原理，可以判定以上研究的兩種情況沒有本質性的差異?？梢耘卸c電荷必然沒有感應到磁場，圓環參考系則必定感應到磁場，則可確定的磁場是否為0僅是在相對意義層面而言。進一步表明電場與磁場在本質上屬于同一客體（也就是電磁場）處于兩種參考系下表現出的兩種不同形式的反應。此研究的例子能在電磁學的理論體系下從根本上揭示電場和磁場存在的聯系，也證實電磁場具有相對性。實際上，電與磁能互相轉化僅能說明兩種方程能實現相互耦合，并不能說明兩者能統一于同一物質體系下。但是經過此次研究論證，此種觀點得到證實。

3 結語

電場與磁場的聯系是人類歷史上的重大發現，徹底改變了電與磁彼此孤立的局面，為很多重大發現和發明創造良好條件。經過實際驗證發現，電場與磁場實際上是電磁場在各自參考系下出現的兩種反應，深刻揭示了電場與磁場的關系。

參考文獻

[1] 秦哲，胡艷敏.靜電場和靜磁場的對稱性和不變性分析[J].教育教學論壇，2015，25（48）：137-138.

[2] 潘長寧，何軍，周昕.“電磁場與電磁波”與“大學物理·電磁學”教學銜接問題的探討[J].教育教學論壇，2015，16（3）：159-160.

[3] 谷建生，魏環，李宏，等.大學物理教學中不應忽視電磁學與狹義相對論的內在聯系[J].物理與工程，2014，24（2）：51-53.