電磁場的物質(zhì)性

電磁場的物質(zhì)性摘要：物質(zhì)是獨立存在于人的意識之外的客觀實在。電磁場作為一種實在的物質(zhì)，不少學(xué)生對其物質(zhì)性存在懷疑，而現(xiàn)行教材中也是從特例靜電場入手，著重論述了電荷與場的相互作用，這難免有“超距作用”之嫌。在電磁學(xué)和電動力學(xué)基礎(chǔ)上從電磁場的能量、動量、質(zhì)量及和實物的相互作用等方面對其物質(zhì)性進(jìn)行了分析論證。關(guān)鍵詞：電場；磁場；物質(zhì)性0引言場的本質(zhì)是物質(zhì)，這是物理學(xué)的一個基本觀點。為什么說電磁場是物質(zhì)它的物質(zhì)性主要表現(xiàn)在哪些方面，人類通過長期對粒子構(gòu)成的實物得出這樣的結(jié)論：物質(zhì)是不依賴于人的意識而獨立存在的。物質(zhì)有質(zhì)量、能量、動量物質(zhì)間可以互相作用、相互轉(zhuǎn)化，并遵守相應(yīng)的守恒定律。經(jīng)典力學(xué)完成了對實物上述性質(zhì)的定量描述，而作為物質(zhì)形式的電磁場是否有以上所說的物質(zhì)性，本文從電磁場理論出發(fā)結(jié)合實例對上述問題進(jìn)行簡單討論。電磁場雖然看不見摸不著，但它們能表現(xiàn)力的性質(zhì)。實驗證明，真空中的電荷系統(tǒng)A與其不接觸的電荷系統(tǒng)B發(fā)生相對運動，那么A是如何作用在B上的，歷史上有2種觀點，第一種觀點認(rèn)為電磁場的傳遞有“超距作用”，即電磁場傳遞不需要任何媒質(zhì)而直接作用于B，這種傳遞是不需要時間的。另一種觀點認(rèn)為A對B的作用像實物間相互作用力一樣必須借助媒質(zhì)傳遞，并且需要時間。1857年德國科學(xué)家基爾霍夫做實驗證明：電信號在導(dǎo)體中的傳播速度等于已知的光速，隨后1865年麥克斯韋從電磁波波動方程也推導(dǎo)出電磁信號在空間的傳播速度是c=1；*（“為真空磁導(dǎo)率，￡為真空000的介電常數(shù)），其數(shù)值也恰好等于光速。這說明電磁場的傳播是需要時間的顯然AB間客觀存在的這種媒質(zhì)就是電磁場。1電磁場是客觀實在、有獨立存在的性質(zhì)愛因斯坦說：電磁場本身就是一種物質(zhì)，是具有能量的物質(zhì)化了的力僅在可以探測到電力和磁力的地方才有這種物質(zhì)的存在。例如：由麥克斯韋方程：VxH=匹+VxH=匹+了dtVxE=-dB

dtVxD=p ； vxB=o在沒有電荷電流分布的自由空間利用矢量場論很易推出波動方程：H1d2EH 1d2EHC2dt2 C2dt2此方程可以說明當(dāng)電場迅速變化時，即使P二o、H二0方程仍有非零解，即變化的電磁場可以脫離電荷或電流或獨立存在，電磁波就是一個很好的證明處于這樣的電磁場中的電荷、電流（或運動電荷）將受到電磁場的作用而運動或偏轉(zhuǎn)，這種作用從何而來？我們知道力就是物質(zhì)對物質(zhì)的作用，在沒有電荷或電流的自由空間中是誰和電荷或電流作用的呢？只有電磁場，所以可以確認(rèn)電磁場是一種實在的物質(zhì)，這種物質(zhì)歲看不見，摸不著，力可以直接反映電磁場的客觀存在。2電磁場作為物質(zhì)的形態(tài)有其自己的運動規(guī)律物質(zhì)運動有其規(guī)律，如宏觀低速符合牛頓定律在在前人研究的基礎(chǔ)上，從理論上假設(shè)了位移電流的存在，微觀領(lǐng)域符合量子力學(xué)，在高速時有相對論。有了運動規(guī)律，就可以確定運動狀態(tài)，麥?zhǔn)椒匠淘谇叭搜芯康幕A(chǔ)上從理論上假設(shè)了位移電流的存在，總結(jié)出了電磁場運動的普遍規(guī)律：VxH=叫VxH=叫HdtVxE=dBdtVxB=o它實際上就是，只要在某一時刻知道了電磁場的運動方程，這一組方程可以決定電磁場如何運動、變化以及如何受電荷電流作用，只要在某一時刻知道了電磁場的結(jié)構(gòu)，就能預(yù)知任何時刻的場結(jié)構(gòu)。我們知道由麥克斯韋方程組可以推出平面單色電磁波在均勻介質(zhì)中的傳播規(guī)律：v2E+K2E=0 ； v2B+k2B=o9這組方程稱為亥姆霍茲方程，其中戸稱為波矢量K=叭辰方向沿傳亠f vi(K?r_3t) v vi(K?r_3t)播方向，其方程的解為：EE=Eoe 和B(r?H=Boe，這就給了電磁場在r處t時刻的場矢量。由麥克斯韋方程組還可以進(jìn)一步推出平面電磁波的運動特點V=-^V=-^(c為光速)■V卩*rr電磁波是橫波，而且傳播方向和B、E都垂直。電磁波的能量密度矢量：v=u?分(其中?為電磁場的能量密度,n為電磁波的傳播方向的單位矢量)?？梢?，平面單色電磁波的能流密度矢量V與波的傳播方向一致，能量的傳播速度與波的傳播速度相同。另外，我們還可以由麥?zhǔn)椒匠探M的積分形式，得到電磁場在不同介質(zhì)界面上的邊值關(guān)系：nxnx(H_H)=a21vnx(Ev_Ev)=021n?(n?(D_D)=b21(Bv_Bv)=021(式中b和方是面自由電荷和電流密度)從而可以導(dǎo)出電磁波在入射到介質(zhì)界面時的反射定律和折射定律：°=0由以上分析可看出，不論是在均勻介質(zhì)中，還是在不同介質(zhì)界面，電磁場的傳播規(guī)律都可以由麥?zhǔn)椒匠虥Q定。3電磁場具有能量微波爐可以加熱食物，微波是波長較短的電磁波(0.001?lm)。這說明電磁場有能量并且可以和其它形式的能量相互轉(zhuǎn)化。為了描述電磁場的能量和能量傳遞，引入2個物理量：(1)場的能量密度e為單位體積電磁場的能量；(2)場的能流密度S為單位時間垂直流過單位橫截面積的電磁場能量,它的方向代表能量的傳播方向。取電磁場中任意一閉合區(qū)域V體元為dV,其界面為M,面元為db(其法向方向指向M外)，V區(qū)域中電所受到的場力密度為f(單位體積的的受力)，電荷或電流系統(tǒng)運動速度為v。根據(jù)電動力學(xué)［2］知識可以得到:b-VdV+AdV」血 (1)J~Sdb表示區(qū)域V內(nèi)從M面輸入其中：表示電J~Sdb表示區(qū)域V內(nèi)從M面輸入■J①dV電磁場能量對時間的總增加率;dtv的功率；式(1)表示電磁場在傳遞過程中遵守物質(zhì)的能量守恒定律，即電磁場對閉合區(qū)域V內(nèi)電荷或電流系統(tǒng)做功的總功率與V內(nèi)電磁場能量總增加率之和等于外界從M面輸入?yún)^(qū)域V內(nèi)的功率。當(dāng)區(qū)域V時，M面為無窮大空間的界面，此時不可能再有能量從外部流入。即-JSdb_0，那么V內(nèi)電荷或dWJ-,者電流系的機械能W的總增加率二Jf?vdV，于是式（1）變?yōu)椋篢OC\o"1-5"\h\zm dtdJdVdW\o"CurrentDocument"— odV= m （2）\o"CurrentDocument"dt dt式（2）說明帶電體機械能和電磁場能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，符合能量守恒。實際上中學(xué)所學(xué)的閉合電路負(fù)載上產(chǎn)生焦耳熱也是通過電磁場來實現(xiàn)的。如圖1,在電源內(nèi)根據(jù)電動力學(xué)相關(guān)知識計算出其能流密度-是由電源內(nèi)部向外輸送的，導(dǎo)線附近的能流密度衛(wèi)有沿導(dǎo)線方向的分量，它沿導(dǎo)線傳遞電磁能量，而衛(wèi)還有垂直于導(dǎo)體表面指向?qū)w內(nèi)部的分量，因為導(dǎo)體有電阻這部分能量就轉(zhuǎn)換為焦耳熱了。所以實際情況不同于通常所說電能是由電流傳遞的。4電磁場的動量早在1864年麥克斯韋就根據(jù)其電磁場理論指出射落在物體表面的光能夠?qū)ζ浔砻媸┘訅毫Αｋ姶艌隼碚撘材軌蜃C明如果光照射到理想導(dǎo)體（電阻為零）上，則導(dǎo)體表面上受到的光壓為-二2S，-為單位時間內(nèi)單位面積c上光的能量，即能流密度；c為真空的光速。光能像實物粒子一樣對其作用的物體產(chǎn)生壓力，這表現(xiàn)了光作為物質(zhì)的一種性質(zhì)，即有動量。實際上量子化的電磁波是由光子構(gòu)成的，當(dāng)光束垂直照在導(dǎo)體上，就會表現(xiàn)出粒子性，像粒子流打在導(dǎo)體一樣會產(chǎn)生反彈，大量的光子與導(dǎo)體表面作用宏觀上就產(chǎn)生了壓力。1901年俄國科學(xué)家列別捷夫首次對光壓進(jìn)行了實驗驗證，并得到了和理論相一致的數(shù)據(jù)。不過通常情況下，在地球表面上很難獲得能量密度（或照度）很大的照射，因此在地面上的光壓現(xiàn)象極不明顯。光壓值很小，例如，強度為100萬燭光的光源，在距它1m處的反射鏡上產(chǎn)生的總壓力不過10-6Pa，但在宇宙空間中，它的作用有時卻是很顯著的。例如，彗尾總是

背著太陽形成奇妙的掃帚形狀，就是由于慧尾的稀薄氣體分子受到光壓的作用。根據(jù)相關(guān)的電動力學(xué)［3］知識，當(dāng)電荷系統(tǒng)和電磁場作用時，由洛侖茲力公式和麥克斯韋方程組就可得到：于是式（3于是式（3）就變?yōu)椋篸tdtJGdV dT式中：f 是電荷系統(tǒng)在V區(qū)域內(nèi)動量（即機械動量）的增加率；〒Jgdvdt dt為V區(qū)域內(nèi)電磁場的總動量變化率；-JTdS為單位時間內(nèi)從V區(qū)域所對應(yīng)的s面上外界流入的量。當(dāng)V取全空間時，就沒有動量流入了。卩-JTdS=0,即電磁場和電荷的總動量變化率和為零，顯然電磁場和電荷系統(tǒng)相互作用時遵守動量守恒定律。1922年的康普頓實驗也驗證了這種守恒。5電磁場的質(zhì)量電磁場像粒子一樣是有質(zhì)量的。1900年法國科學(xué)家彭加勒根據(jù)電磁波理論首次提出了電磁場可能有質(zhì)量的想法。1906年愛因斯坦確定了狹義相對論的質(zhì)能關(guān)系后，電磁場的質(zhì)量才真正被認(rèn)識。一定空間的電磁