电磁场的物质性

克， 而普通实验室用磁铁产生的磁场也只有 10 克， 可是场的质量或能量 同实物相比， 小到无法测定。 不过电磁场只具有运动质量， 而没有静止质 量。另外， 光压作用也说明了电磁场具有质量， 因为有质量的物质才能对 其他物体呈现压力作用。具有能量的电磁场具有质量， 而质量又是惯性大 《物体的惯性同它所含的能量有关吗 》 小的量度， 所以爱因斯坦在 一文中把 惯性与能量概念联系起来， 而指出了具有能量的电磁场亦有惯性 。 再者电 磁场的传播虽是变化电磁场相互激发的结果， 但从机械运动论的观点维持 这种运动是电磁场具有惯性的结果。 四、 电磁场同实物一样具有动量和角动量 电磁场具有动量， 是由于光照射到物体上对物体有光压的作用而被发
光子与实物粒子一样有能量、 有动量、 有质量， 实验（ 下转第 31 页） 01 /2012
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（ 3 ） 表扬和鼓励学生， 创造积极的学习氛围 例如： 在讲述 Xie Lei 的导师给了她很大帮助时， 告诉她外国的教育和 中国教育的不同， 关于教育和大学， 学生有不用的想法， 那么教师应该鼓励 学生多多表达自己的看法。 4．“图示理论原理” 是课堂教学的简易所在 人的一生当中学习和掌握了许多的知识； 经历和体验过各种事情， 见识和 增长了不少事件， 这些知识、 事情和阅历围绕某一个主题或类别相互联系 起来形成一定的知识单元， 这种单元就是图式 。 例如， 在教授 Xie Lei 这一 学生对在外国怎么写论文， 怎么和导师交流， 外国大学和中国大学如 课时， 何不同， 概念不是很清楚， 因此， 我在网上找出许多相关的内容来： 去国外 的程序； 到外国的住宿； 有什么类型的大学； 大学里的课程的介绍； 学习方 面与中国有哪些不同等。将这些大致的背景知识介绍给学生后， 再将图片 和资料拿给他们观察， 学生有了相关的知识之后， 理解和学习的程度就加 深了很多。最后让他们再去阅读， 结果在提问学生相关的问题时或翻译文 章时， 对课文的理解就要比没有提前有过背景知识介绍的文章理解的要好 而且在脑海里留有很深得印象 。 很多，
→怀疑的了， 那么能量又是怎样和物质联系在 一起呢？ 20 世纪杰出的物理学家爱因斯坦， 由他的相对论推出了一个质能
2 方程 E = mc ， 该方程告诉我们， 物质可以转化为能量， 而能量也可以转化为
物质。 这一点在研究原子核的裂变和聚变时已经被事实所证明 。 因此， 物质 是能量的凝聚态， 能量与物质是一个不可分割的整体。 六、 电磁场同实物的统一性 1． 电磁场的玻粒二象性 电磁场具有玻粒二象性， 既具有波动性， 又具有粒子性． 电磁场的粒子 就是光子， 光子已在光电效应等实验中证实。如图所示：
麦克斯韦方程组的另一个重要成果， 是它指出时变电磁场具有波动 — — 即麦克斯韦方程组具有波动的解， 称为电磁波。赫兹用实验首先证 性— 实了电磁波的存在， 且电磁波在空间和介质中以光速传播， 因此变化电磁 场的能量还在流动， 如图所示：
在稳恒电流情况下， 人们没有重视能量在场中传播的事实。 实际上， 这种情况下能量也是由电磁场传输的， 导线中的电流和周围空间（ 或介质 中） 的电磁场相互制约， 使电磁能量在导线附近的电磁场中沿一定方向传 小部分能量进入导线内部变成焦耳热而损耗； 大部分 播。在传输过程中，
2 质量为： m = ε / c ， 只能讲物质是能量密度集中的地方， 场是能量密度小的 － 22 地方。例如， 直径为 1 米的铜球充电到 1 千伏电势周围的电场仅 2 × 10
j = 0 处 而能够独立存在的理论依据， 也就是麦克斯韦方程组：
S 为 L 所围的一个曲面， dS 为 S 上的一个 举例如下： 设 L 为闭合线圈， 线圈上的电荷是直接受到该处电场作用而运动的， 线圈上有感应电 面元， 电磁感应现象的实质是变化磁场在其 流就表明空间中存在着电场 。因此， 周围空间中激发了电场， 这是电场和磁场内部相互作用的一个方面。 积分 路径如图所示：
此式表明电磁波的动量方向即为波传播的方向， 在数值上等于电磁能 量密度与光速之比． 电磁场不仅是具有动量， 且电磁动量在场中不断地流 可以从一处传播到另一处 。 动着， 下面， 我们说明动量流密度张量 的意义： （ * ） 在量子化后的电磁场 每个光子的能级为 也 是 成 立 的． 量 子 化 后 的 电 磁 场 由 光 子 组 成， 为普朗克常数， ω 为角频率， 由（ * ） 式， 每个光子带 有的动量可以算出． 如图所示：
2 下面我们从爱因斯坦的质能关系式 E = mc 来了解电磁场具有质量、 惯性这方面的性质。任何能量都具有质量， 电磁场的质量与能量之间符合 2 爱因斯坦的质能关系式 E = mc ， 其中 c 是真空中的光速． 电磁场的质量是 8 真空中某电磁场的电场强度达 10 v / m， 磁感应强度达 极其微小的。比如，
ABC 为面元S ， P为通过曲面的总动量 ． 表达式为： 张量 的分量 T ij 的意义是通过垂直于 i 轴 的 单 位 面 积 流过的动量 j 分量。 另外， 电磁场还有角动量， 即电磁场的动量矩， 它可以与其它形式的角 电磁角动 动量相互转化。单位体积中的电磁角动量称为电磁角动量密度， 量密度为：
→ → →
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因为两者之间存在相互作用， 实物系统自身的能量一般并不守 系统并存， 恒（ 例如电视台的发射天线会因不断发射电磁波而不断消耗能量） ， 只有认 为电磁场本身也有能量， 才可能维护能量守恒定律。 对于电磁场能量的计 算， 是将能量转换和守恒定律应用到电磁现象中， 依据麦克斯韦方程组和 从而得到电磁场能量的体密度 w 和总能量 W 为： 洛仑兹力公式，
→
平面电磁波沿传播方向各点上的电场和磁场瞬时值如图所示：
它运动的普遍规律就能告诉我们电磁场离开源 （ 即电荷 Q = 0 和电流
→
10 6 wb / m2 ， 这 样 的 场 强 已 是 相 当 高 了，相 应 的 电 磁 场 能 量 体 密 度 也 相 当 大 了，而 相 应 的 质 量 密 度 虽然这是极其微小的量， 不过从物理的 角 度 来说， 电磁场的质量是具有原则意义的。 例如， 光照射于物体表面时， 会对 物体表面有压力， 这是为什么呢？ 这个光压现象的解释和光压力的大小的 计算就必须用光这种电磁波具有质量的事实来解释和计算。 根据爱因斯坦在相对论中著名的质能关系式， 具有能量 ε 的电磁场其
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电磁场的物质性
◆崔秀娟
（ 内蒙古呼伦贝尔市海拉尔第二中学）
电磁场的物质性， 是整个电磁学和电动力学的基本问题。为了更清晰地了解电磁场的客观本质， 从电磁场满足一般物质的定义、 电磁场同实物一样具有质量、 能量、 动量、 角动量以及电磁场同实物的统一来讨论电磁场的物质性。 电磁场
电磁波
电磁能量
物质性
积分公式可写为： 若回路是空 间 中 的 一 条 固 定 回 路， 则上式中对的全微分可代为偏 微商： 化为微分形式得： 这是磁场对电场作用的基本规律。 它不仅告诉我们电荷电流激发电 磁场以及电磁场内部运动的一般规律， 更重要的是它为我们证明电磁场的 物质性提供了理论依据。 2． 力的作用是物质和物质之间的一种作用， 同理电磁场对电荷电流体 系的作用， 也是满足力的定义的。只不过这种力是洛仑兹在总结了静态场 基础上推广到一般情况得到的， 所以叫做洛仑兹力。 这种场和电荷、 电流 发生的作用也是电磁场具有物质所体现的一方面。 电荷电流系统单位体 积所受的电磁力密度 ρ， 下面给出洛仑兹力的表达式： 当然了， 对于一个电量为 q，粒子的运动速度为 v ， 电磁场对它的作用 力为： 物理学实验证实了洛仑兹力公式对以任意速度运动的带电粒子都适 这就相当于告诉我们： 麦克斯韦方程 用。电磁场本身就具有波粒二象性， 组和洛仑兹力公式是揭示电磁场物质性的理论基础和依据。 三、 电磁场同一般物质一样具有质量、 惯性 我们之所以说电磁场是物质， 是因为它具有一般物质（ 实物） 所具有的 属性。比如说， 它是客观存在的， 由质点组成的， 具有质量等。 又因为电磁 这些同时具有粒子的性质。 场是由质点（ 光子） 组成的，
式中 g em 为电磁场的动量密度 。 下面通过实验来具体认识一下角动量： 一个无摩擦擦可自由转动的塑 料圆盘， 圆盘的中部有一个短而小的螺线管与电源相接， 在圆盘边缘均匀 钉上一些带等量同号电荷的金属小球， 圆盘处于静止状态， 切断线圈中的 电流。根据电磁感应定律， 切断电流， 磁场消失， 将在线圈周围产生涡旋电 场， 该电场作用于这些带电小球上的力将使圆盘旋转， 于是圆盘获得角动 量。这个机械角动量从何而来， 许多理论都论证了这个角动量源于储存在 圆盘周围原来的电磁场中， 从而也说明了电磁场本身具有角动量， 并且切 断电流时圆盘所获得的机械角动量等于电磁场中所储存的电磁角动量， 而 且把电磁场看作封闭系统的组成部分， 同样满足角动量守恒定律． 五、 电磁场同实物一样具有能量 物理学研究的对象包括两类： 实物和场。 实物中物与物之间存在力的 作用， 电磁场中也存在力的作用即洛仑兹力 。 物体在力的方向上发生位移 就会对物体做功， 则实物具有能量。 通过实验证明电磁场也具有能量。 电磁场存在时的能量和能量守恒 问题是一个重要而且有趣的话题 。 电磁场通常与（ 含有带电粒子的） 实物
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现的， 这光压等于施压物质—光的动量变化引起的， 这就证明了电磁场具 有一定的动量。前面我们已讨论了电磁场之间存在相互作用力， 所以很自 然联系到实物与实物之间的作用， 从而知道电磁场也具有动量。 而且把电 磁场和带电粒子全部考虑以后， 整个系统的动量是守恒的。 因为电磁场具 光波（ 电磁波） 与物质发生作用， 被物质吸收或反射时， 它的动量就 有动量， 发生改变， 因此它对此物质施加力的作用， 表现为光压。1901 年， 列别捷夫 从而证明了电磁场确实有动量。 例如， 首先在实验上观察到了这一现象， 彗星的尾巴总是背着太阳的， 就是由于太阳的光压作用造成的。 这是电磁 场的动量在宇宙空间的应用 。 电磁场的动量， 是由于电磁场对电荷有洛伦兹力作用， 所以电磁动量 可以通过场对电荷的力而与其它形式的动量相互转化 。 电磁场的动量是一个矢量。 单位体积中的电磁动量称为电磁动量密 度， 其值决定于电场和磁场的强度， 其方向总是垂直于电感应强度 D 和磁 感应强度 B 所确定的平面， 且等于： 电磁动量密度和坡印廷矢量之间存在如下关系： 对于真空中的平面电磁波， 由于 因此 用能流密度 S 表示：
一、 引言 电磁场是物质世界的重要组成部分之一 。 电力系统、 凝聚态物理、 天 体物理、 粒子加速器等， 都是与电磁场有关的理论问题。 不论是电效应还 是磁效应， 都为我们揭示了电磁场基本特性 。 电磁场运动规律和狭义相对 论的引入， 恰到好处地揭示了电磁场具有物质性这一本质 。 从两个静止点 电荷之间存在相互作用到库仑定律， 都说明了电荷周围存在着电场。 当把 带电体放入电场中它就会受到力的作用， 这说明了电场力的存在。 当带电 体在电场中移动时， 电场力对带电体做功， 说明电场具有能量， 以上这几点 可以说明电磁场具有了物质性 。 物质的定义： 独立存在于人的意识之外的客观实在， 那么对应电磁场， 特别是变化电磁场（ 即电磁波） 的广泛应用作为其客观实在的依据来定义 电磁场为物质， 也是满足物质定义的 。 根据电磁现象和电磁场的对外表现 以及它的客观属性， 阐明它的物质性， 根据电磁场所具有的质量、 能量、 动 量、 角动量也能很好地说明电磁场具有物质性 。 二、 电磁场满足一般物质的定义 1． 电磁场是独立存在于人的意识之外的客观实在的物质 。 因为实物 具有波粒二象性， 同样电磁场也具有波粒二象性， 就拿它的波动性来讲也 是满足物质性的概念。如变化的电磁场即电磁波， 最简单的平面波具有这 样的特征： （ 1 ） 电磁波为横波， 和 都与传播方向垂直； （ 2） （ 3） 和 互相垂直， × 沿波矢 k 方向； 和 同相， 振幅比为 υ．
能量流入负载内， 供负载消耗所用。 在时变场中， 电磁波的广泛应用是人 进而从理论到实践阐述了电磁场物质性概念的建立。 人皆知的事实， 电磁场具有能量， 关于这一点理由是充分的。 我们知道运动的电荷除 还在激发磁场。 而变化的磁场要在其邻近激 了在其周围空间激发电场外， 发电场， 变化着的电场和磁场构成一个统一体称之为电磁场， 电磁场以波 的形式向外传播就是电磁波。电磁波是能量的携带者， 正因为如此接收机 才能听到发射 的天线才能接收到电磁信号。当我们打开接收机的旋钮时， 观察到发射机的图象。 机发射的信号， 电磁场具有能量， 能作功， 它能使电荷或铁片移动， 使收音机收声， 使 电视机显示图象。电磁场的能量密度： 在各向同性的介质中 磁场所在空间的电磁能量： 整个电