關(guān)于電磁現(xiàn)象一致性的幾點(diǎn)注記

1、關(guān)于電磁現(xiàn)象一致性的幾點(diǎn)注記(本文發(fā)表在<<工程師論壇>>2005年第10期)廣東省珠海市前山中學(xué)物理教研室 熊志權(quán)摘 要 :本文從文獻(xiàn)1的結(jié)論出發(fā)，在不同的慣性參考系中導(dǎo)出電荷與電荷之間、運(yùn)動電荷與電流之間、電流與電流之間的相互作用規(guī)律，得出電場和磁場在表達(dá)上具有完全的一致性。關(guān) 鍵 詞 ：狹義相對論 電場 磁場 慣性參考系 一致性Some Notes on Consistency of the Electricity and MagnetismXIONG Zhi-quan (Qianshan Middle School of Zhuhai City ,Guangdo

2、ng 519070)Abstract: This paper based on literature1,deduce the action between charges,currents,motive charge and current in different inertia reference system,deduce an agnetic field may be represented in the same way as an electric field.Keywords: Special theory of relativity, Magnetic field, Elect

3、ric field, Inertia reference system, Consistency關(guān)于電磁現(xiàn)象一致性的幾點(diǎn)注記O 引言從經(jīng)典電磁理論知道，靜止的電荷能夠產(chǎn)生電場，運(yùn)動的電荷既能產(chǎn)生電場又能產(chǎn)生磁場，而靜止是具有相對性，運(yùn)動是絕對的，因此電場和磁場是存在緊密的聯(lián)系。物理學(xué)上把力的性質(zhì)進(jìn)行分類時(shí)，電場力和磁場力都屬于同一種性質(zhì)的力，電場和磁場是一種物質(zhì)的兩個(gè)方面，在給定的參考系中，電場和磁場表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，但是當(dāng)參考系變換時(shí)，它們可以相互轉(zhuǎn)化。下面通過幾個(gè)實(shí)例，我們更能認(rèn)識到電場和磁場在本質(zhì)上的一致性。1 帶電粒子之間的相互作用如圖（1）所示：有一慣性和另一相對于作勻速運(yùn)動的慣性系

4、 它們?nèi)S平行，且x軸和軸相互重合，在系中固定一場源電荷q0和一檢驗(yàn)電荷q在P（x，y，z，）隨系一起向右勻速運(yùn)動，如果在中進(jìn)行觀察，場源電荷是靜止的，它只產(chǎn)生電場，它在空間產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為：圖1sq則檢驗(yàn)電荷q在系中所受的電場力為： oox寫成分量形式是：zz（1）其中：現(xiàn)在來找系與s系之間各物理量的關(guān)系，且在t=0時(shí)觀察,根據(jù)洛侖茲變換有坐標(biāo)變換公式： （2） 其中 根據(jù)力的變換規(guī)律，結(jié)合（2）、（3）兩式把力F，變換到S系中觀察見文獻(xiàn)1 有： （3） 考慮到在系中， 結(jié)合（1）式， 則（3）式可化為： （4）把（5）式定成矢量式是：= + +=+= +=其中：,=,zzoxoxvssq2

5、這正是我們熟悉的洛侖茲力表達(dá)式，從上面的分析可看出，同一場源電荷既可視為靜止的，又可視為運(yùn)動的，它完全取決于慣性系的選取。根據(jù)相對性原理，電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律對任一慣性參考系可以表示成相同的形式，即相對論認(rèn)為一切慣性系都是等價(jià)的，因此經(jīng)典電磁理論認(rèn)為“靜止的電荷產(chǎn)生靜電場，運(yùn)動的電荷產(chǎn)生電場又能產(chǎn)生磁場”就沒有本質(zhì)的區(qū)別。2電流對運(yùn)動電荷的作用如圖（2）所示：在慣性系s 中有長直導(dǎo)線電流強(qiáng)度為I向左。一檢驗(yàn)電荷 離導(dǎo)線的距離為y處運(yùn)動，速度的大小為導(dǎo)線中自由電子定向移動和速率，方向沿電流方向。設(shè)單位長度內(nèi)的電荷密度為，導(dǎo)體中自由電子定向移動的速率為v，在穩(wěn)恒條件下I=nevs=，即v=，現(xiàn)在慣性

6、系S中觀察（S系相對于導(dǎo)線靜止）由于通電導(dǎo)線中正電荷和負(fù)電荷的線密度相等，即導(dǎo)線上的凈電荷為何0，則檢驗(yàn)電q0荷所受電場力也為0，在導(dǎo)體中正電荷是靜止的，因此q0只受運(yùn)動的負(fù)電荷對它產(chǎn)生的磁場力的作用。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和積分理論：yF=q0v = q0 （6）為了進(jìn)一步說明電場和磁場在本質(zhì)上的一致性，我們再在慣性系S，中觀察q0所受力的作用，其中S，相對導(dǎo)線以v向右作勻速直線運(yùn)動，由于在S，系中q0是靜止的，所以它只受電場力的作用，而不受磁場力的作用。為什么在S系中q0不受電場力的作用，而在S，系中又受電場力的作用？難道導(dǎo)線中有靜電荷？這都是由于相對論效應(yīng)所引起的，正負(fù)電荷在S，系中的分布

7、受到程度不同的洛侖茲收縮，即正負(fù)電荷的線密度不再相等，導(dǎo)線不再呈中性而，而是有多余的正電荷！在系中負(fù)電荷變成靜止，而正電荷以速度v向右運(yùn)動，由于電荷是一個(gè)洛侖茲標(biāo)量，是相對論中不變的量，根據(jù)相對論中的長度變換，由文獻(xiàn)2可知導(dǎo)體在系中正負(fù)電荷的線密度分別為： 則在S系中導(dǎo)線上的凈電荷為：- =根據(jù)高斯定理：E，=，再利用力的變換公式，把這個(gè)力變到S系中并注意有：F=，這就是S系中檢驗(yàn)電荷所受的電場力，與S系中計(jì)算的各負(fù)電荷所這生的磁場力的結(jié)果完全一致，并且就是經(jīng)典電磁學(xué)中長的通電直導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場。3兩通電直導(dǎo)線之間的作用力如圖3所示，求導(dǎo)線b 對a的作用力，我們選不同的參考系也會有相同的結(jié)論。

8、在s系中（s是固定在導(dǎo)線上的參考系），由于在s系中a導(dǎo)體中的正電荷是靜止的,因此導(dǎo)線a所受的力是負(fù)電荷所受磁場力的空間積累效應(yīng)：圖3yxoybaII（7）現(xiàn)在我們在系中進(jìn)行觀察（系是以速度v平行于導(dǎo)線向右運(yùn)動）此時(shí)，導(dǎo)線a中電子只受電場力的作用，正電荷既受電場力的作用又受磁場力的作用，前面第二個(gè)問題提過，它所受的磁場力和電場力大小相等方向相反，相互抵消，根據(jù)上面的結(jié)論E，=如果把轉(zhuǎn)換到s系中:=（8）從上面可看出：檢驗(yàn)電荷受到的力究競是電場力還是磁場完全取決于參考系的選取，電場和磁場屬于同一種性質(zhì)的場，為什么人們要引入磁場呢，根據(jù)上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)在不同的坐標(biāo)中用相對論變來變?nèi)ナ呛芊爆嵣踔烈鸹靵y，為此要尋找簡潔的思維途徑，有一個(gè)更好的辦法就是引