电场与磁场的相对性和统一性

电场与磁场的相对性和统一性

09级水工一班闫杰0902010115 摘要：在论述电磁场的统一性和电场与磁场的相对性的基础上，通过实例具体阐明了电场与磁场的相对性关系，也对电场与磁场的相对性和统一性作了论证，希望以此能对电场与磁场的相对性和统一性有更深的理解。

关键词：电场，磁场，相对性，统一性

在电荷之间，有一种相互作用力——电力。在法拉第之前，人们认为两个电荷之间的相互作用力和两个质点之间的万有引力一样，都是一种超距作用。即作用力是隔着一定空间直接给予的，不需要什么中间媒质传递，也不需要时间，这种作用方式被表示国：电荷<=>电荷。法拉第提出了另一种观点，认为电荷周围存在着由它所产生的电场，其它电荷所受到的作用力就是通过电场给予的。这种方式可表示国：电荷<=>电场<=>电荷。于是，电场被人们所接受。为了形象地描绘电场在空间的分布，人们于是可以画电场线图。这就是电场。

在电荷之间，有着另一种相互作用力——磁力，它是运动电荷之间的一种相互作用。人们认为这种相互作用是通过另一种场——磁场来实现的。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量 B ，也可以用磁感线形象地图示。在磁场中画一些曲线，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，这些曲线叫磁力线。这就是磁场。

电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质。

以前学电磁场时，就没弄懂磁场、磁力、洛伦兹力是怎么回事。以前我们中学、高中学物理时，书上只说：静止的电荷产生电场，运动的电荷产生磁场。这使我也感觉磁场是电场的一种变形，它与电荷的运动有关。

在普通物理教科书中引出静电场和稳恒电流磁场诸定律时, 一般分别从实验得出, 这样就使人感到这些定律是互不相关、各自独立的. 可以问: 电场和磁场的定理和定律之间是否存在内在联系? 对此, 在普通物理中未必能给一个肯定的答复. 实际上, 这些定律应该是紧密相关的, 它们组成一个结构严密的理论体系. 而这个理论体系的基点就是点电荷场强公式。

场源电荷运动时，在其周围运动的电荷q，不但受到与q速度无关的力，而且还会受到决定于其速度方向和大小的力。前者归之于电力，后者被称之为磁力。由于电力和磁力都是通过场发生的，所以我们说，在运动电荷的周围，不但存在着电场，而且存在着磁场。麦克斯韦在受到法拉第的鼓舞之后，对法拉第电磁感应现象进行了深入分析，得出了感应电场。最后发表了《论物理的力线》以及《电磁场动力论》等。这使得人们对电场与磁场以及电磁场有了更深的理解。

静止和运动都是相对的。在不同情况下，场源电荷都一样（而且具有相对论不变性），但电场和磁场的存在情况却不相同。这种由于运动的相对性，或者说由于从不同的参考系观测，引起的不同，说明电场和磁场的相对论性联系，即电场和磁场具有相对性。这可以用狭义相对论证明（爱因斯坦在他的1905年那篇提出相对论的著名文章中首先给出了证明）。同一电荷系统周围的电场和磁场在不同的参考第内观测，会有不同的表现。

相对于电荷静止的观察者会观察到电荷周围有电场，但没有磁场，而相对于该电荷运动的观察者不仅观察到电荷周围有电场，还观察到磁场的存在。既然场量是客观存在着一种物质，那么究竟电荷周围有没有磁场？磁场是不是客观的存在？通过电磁场的统一性和相对性的讨论，这个问题就能解决了。

设在静止参考系S 中的电场强度和磁场强度分

别为 E 和B ，一电荷q 以速度v 相对于此参考

系运动，u 沿x 轴正方向.

此电荷受到的洛仑兹力为：

)

B u E q F ⨯+=

可以得出，，在两个不同的惯性参考系中电磁场有以下的变换关系： E x x E ='()z y y vB E E -='γ()y

z z vB E E +='γ

以上结果说明了电场和磁场是彼此联系，相互可以转化的，在一个惯性系中的电场不仅与另一个惯性系中的电场有关，还与惯性系中的磁场有关，反之亦然。这就是它们的统一性。电磁场是客观存在着的物质，而电场量和磁场量却只是它在某惯性系中的观测效应，电磁场量与惯性系的选取有关，这就是电磁场的相对性。由于带电体或载流导线等场源的运动, 将会在周围空间产生电场和磁场, 由此引起电场和磁场的转化关系, 由电场与磁场在不同惯性系中相对变换给出.电磁场是同一物质形成的两个方面。

就像洛伦兹变换公式说明了时间和空间的紧密联系而构成统一的时空一样，此式所表示的电场和磁场的相对论联系，同时也就说明了电场和磁场构成了一个统一的实体，这一实体称为电磁场。电磁场是一种物质，它独立于观察者而存在，无论在哪一个坐标系中，看到的都是同一种物质——电磁场。

电磁场是一个不可分割的统一整体。电场和磁场只是电磁场这种物质形态的两个方面，因此，不能把电磁场理解为两个独立的场的混合，因为两个混合的东西原则上可以分割开来，而电场与磁场的相对性告诉我们，二者是不可以分割开的。电场和磁场的相对变换, 不是分开各自独立进行的, 而是相互联系在一起变换的, 它们之间可以相互转化, 电场磁场的相对变换必须遵循电磁场的不变量关系式. 电场磁场的描述依赖于惯性的选择, 具有相对性。由于电场与磁场具有相对性，并且在一定条件下可以相互转化，从而使得动生电动势与感生电动势，电场力与磁场力等电磁学量也具有相对性，在一定条件下也

可以相互转化。

电场和磁场的相互关系, 犹如时间和空间紧密相连构成统一时空一样, 电场和磁场也密切相关构成一个统一整体, 称为电磁场, 电场磁场只是统一电磁场的两个矢量而已。

虽然某些电磁学量具有相对性，但是电磁运动的基本规律在一切惯性系中都有相同的形式，即具有协变性。认识和理解某些电磁学量的相对性和电磁运动规律的协变性，有利于正确理解电磁场的基本概念，有利于正确掌握宏观电磁运动的基本规律，有利于正确分析和解决电磁学中的一些问题。