電磁場特性的剖析

王貴文

（呼倫貝爾學院，內蒙古 呼倫貝爾 021008）

電磁場特性的剖析

王貴文

（呼倫貝爾學院，內蒙古 呼倫貝爾 021008）

電磁場的物質特性是整個電磁學和電動力學的基本問題，這一概念的闡述是教學過程的難點.本文從電磁學內容出發，闡述電磁場概念的建立，分析了電位移矢量在一般情況下不僅與自由電荷有關，還與極化電荷有關，并給出電位移矢量僅與自由電荷有關的條件，以及極化電荷與介質分布、電場方向的關系.

電磁場；電介質；電位移；極化

1 電磁場的物質性的引入

物質的定義是：獨立存在于人的意識之外的客觀實際.把電磁場，特別是變化的電磁場（即電磁波）的廣泛應用作為其客觀存在的依據，而定義電磁場為物質，是滿足物質定義的.但作為專門研究電磁現象和電磁運動規律的科學——電磁學和電動力學，是不能用這個簡單的定義來定義電磁場的物質性的，應從物理的角度出發，根據電磁現象和電磁場的客觀表現，探究它的客觀屬性，進而闡明它的物質性，才能正確建立電磁場物質性的概念.

2 麥克斯韋和洛倫茲的重大貢獻

通過對變化電磁場的研究，麥克斯韋總結出了電磁場運動的普遍規律：

3 磁場的能量和能流

對于電磁場能量的計算，是將能量轉換和守恒定律應用到電磁現象中，依據麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式，從而得到電磁場能量的體密度w和總能量W：

4 麥克斯韋方程組的另一重要成果

這一成果是它指出時變電磁場具有波動性——即麥克斯韋方程組具有波動的解，稱為電磁波.赫茲用實驗首先證實了電磁波的存在，且電磁波在空間和介質中以光速傳播，因此變化電磁場的能量還在流動，用能流密度表示：

在穩恒電流情況下，人們沒有重視能量在場中傳播的事實.實際上這種情況下能量也是由電磁場傳播的，導線中的電流和周圍空間（或介質中）的電磁場相互制約，使電磁能量在導線附近的電磁場中沿一定方向傳播.在傳輸過程中，小部分能量進入導線內部變成焦爾熱而損耗；大部分能量流入負載內，供負載消耗所用.在時變場中，是磁波的廣泛應用是人人皆知的事實，進而從理論到實踐闡述了電磁場物質性概念的建立，加深了學生對這一概念的理解.近代物理的成果近代物理理論，進一步推出電磁場具有質量、動量等性質，也被實驗證實.這無疑對電磁場的物質性又是有利的證明.總之，從現在來看，電磁場具有一切物質所具有的重要特性.但也必須明白，它與通常由電子、質子、中子等基本粒子所構成的實物物質還是有一些差別的：

⑴電磁場的基本組成部分是光子，光子沒有靜止質量，而電子、質子、中子等基本粒子卻肯有靜止質量.

⑵電磁場以波的形式在空間傳播，而以粒子的形式和實物相互作用.

⑶實物的微粒所占據的空間不能同時為另一個微粒所占據——具有不可入性；但多個電磁場可以相互迭加，占據同一空間——具有可入性.

⑷實物可以以任意速度（極限為C）在空間運動，其速度相對于不同的參照系也不同；但電磁場運動的速度永遠是等于光速，且其傳播速度在任何慣性參照系中都相同.

實物和電磁場雖有差別，但在一定條件下可以發生相互轉化，如一對正、負電子對可以轉化為光子；而光子也可以轉化為一對正、負電子對.由此可見，就物質性而言，實物和場沒有嚴格的區別.按照現代物理觀點，粒子（實物）和場都是物質存在的形式，它們分別從不同的角度反映了客觀實在.同一事物可反映出場和粒子兩個方面的特性.而在現代量子理論中，場和粒子在反映同一事物的兩個方面得到了辯證統一的認識.

高斯定理普遍適用于任何靜電場中，其數學表示為：

（1）電位移矢量一般情況下不僅與自由電荷有關，而且還與極化電荷有關；

（3）在均勻介質中，只有在自由電荷分布的地方才有極化電荷；

（4）在電場方向上介質有不均勻性，必有極化電荷出現；

（5）在垂直于電場方向上介質有不均勻性，但沒有極化電荷出現.

〔1〕梁燦彬.電磁學[M].北京.人民教育出版社，1980.

〔2〕郭碩鴻.電動力學[M].北京.高等教育出版社，1997.

〔3〕肖冬萍，田強.電介質的極化機制與介電常量的分析[J].大學物理，2001，69（9）：16-19.

〔4〕趙佳，田曉岑.關于靜電體系總能量和相互作用能得幾點討論[J].2001，69（3）：21-23.

TU317

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1673-260X（2010）08-0007-02