晉興強(qiáng)

從人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的進(jìn)程來(lái)看，電學(xué)和磁學(xué)開(kāi)始是各自獨(dú)立的?！半姟弊钤缭诠畔ＥD時(shí)期發(fā)現(xiàn)，因被摩擦過(guò)的琥珀具有吸引羽毛等輕小物體的特性，而認(rèn)識(shí)“電”。東漢王充著作《論衡·亂龍》中也有“頓牟掇芥，磁石引針，皆以其真是，不假他類(lèi)”的描述。頓牟即琥珀；芥指芥菜子，統(tǒng)喻干草、紙屑等的微小屑末。掇芥的意思是吸引芥子之類(lèi)的輕小物體。不過(guò)，其中“磁石引針”的記載屬于當(dāng)時(shí)世界上比較早的。當(dāng)然，全面研究磁的第一人還是英國(guó)人威廉·吉爾伯特，1600年，他的專(zhuān)著《論磁，磁體和地球作為一個(gè)巨大的磁體》，第一次使磁學(xué)由經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)為科學(xué)。頓牟掇芥也好，磁石引針也罷，它們之間都是非接觸性的相互作用。但是到了1820年，丹麥科學(xué)家漢斯·奧斯特在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電流對(duì)磁針的作用，顛覆了人們已有的認(rèn)識(shí)。記錄到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是“在自由懸掛著的磁針上方，由北向南流動(dòng)的伽伐尼電，把磁針的北端推向東，而在相同方向上，在磁針下面流過(guò)的伽伐尼電，把磁針的北端推向西”。從而第一次無(wú)可爭(zhēng)辯地將電與磁聯(lián)系到一起。緊接著，同一年，法國(guó)科學(xué)家畢奧和薩伐爾根據(jù)對(duì)電流的磁作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了（恒定）電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)和該電流元的關(guān)系定律。后來(lái)，也是同一年，法國(guó)科學(xué)家安德烈·瑪麗·安培前瞻性地認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)的電荷（電流）產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷（電流）有磁場(chǎng)力的作用，所有的磁現(xiàn)象都可以歸為運(yùn)動(dòng)電荷（電流）通過(guò)磁場(chǎng)而發(fā)生的相互作用。再后來(lái)，1837年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾·法拉第把電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)的重要概念引入物理學(xué)，指出電和磁是通過(guò)其周?chē)摹皥?chǎng)”發(fā)生相互作用的。

在中學(xué)物理中，庫(kù)侖定律處理的是兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的作用，它是通過(guò)其周?chē)碾妶?chǎng)發(fā)生的，電場(chǎng)力

F=qE，即靜止的電荷周?chē)淮嬖陔妶?chǎng)而沒(méi)有磁場(chǎng)，電荷之間的作用不是超距的，且電荷及其電場(chǎng)還貯存了電場(chǎng)能；恒定電流周?chē)嬖诖艌?chǎng)（因?yàn)橥妼?dǎo)線(xiàn)是電中性的）；而運(yùn)動(dòng)的電荷周?chē)扔须妶?chǎng)又有磁場(chǎng)，電場(chǎng)只對(duì)電荷作用（不管運(yùn)動(dòng)與否），而磁場(chǎng)只對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷（電流）作用，而不對(duì)靜止電荷作用，有兩個(gè)著名公式：①洛倫茲力

F=qv ×B；②安培力F=Il ×B。它們分別指出了磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷及電流的作用力。

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，14年后的1845年，德國(guó)數(shù)學(xué)家諾依曼才明確定義了電動(dòng)勢(shì)的概念，并建立了電磁感應(yīng)定律。從此，標(biāo)志著電磁學(xué)的研究由先前的靜止、穩(wěn)恒，步入運(yùn)動(dòng)、變化的一般情形。1861年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆士·克拉克·麥克斯韋全面分析了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并認(rèn)為，即使沒(méi)有導(dǎo)體回路，變化的磁場(chǎng)周?chē)矔?huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，有導(dǎo)體回路時(shí)，這個(gè)電場(chǎng)就在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而激起感應(yīng)電流；另外，變化的電場(chǎng)就相當(dāng)于一種電流，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。由此可見(jiàn)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是具有內(nèi)在聯(lián)系的相互

制約的統(tǒng)一體，并在特定情況下形成電磁場(chǎng)的傳播——電磁波。1865年，他發(fā)表了震驚世界的《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》論文，寫(xiě)出了麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組。

在恒定電流電路中，由電源兩極產(chǎn)生的電場(chǎng)和導(dǎo)線(xiàn)上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的組合，并通過(guò)其電磁場(chǎng)的能流密度矢量

洛倫茲力公式涵蓋了庫(kù)侖定律、畢奧-薩伐爾定律、安培力公式、法拉第電磁感應(yīng)定律，并予以拓展，突破了前兩者所受的靜止或恒定條件的限制。

總而言之，麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組和洛倫茲力公式是經(jīng)典電磁理論的兩大支柱，分別提示了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律和電磁作用的規(guī)律，構(gòu)成了完整的理論體系，其地位相當(dāng)于力學(xué)中的牛頓定律和熱學(xué)中的熱力學(xué)定律。

眾所周知，正是對(duì)電磁現(xiàn)象的研究，才最終導(dǎo)致愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論，這可以從他于1905年發(fā)表的狹義相對(duì)論的標(biāo)題得到證明。這篇文章的標(biāo)題是《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》。靜止和運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，當(dāng)我們?cè)趫?chǎng)源電荷靜止的參考系S內(nèi)觀測(cè)時(shí)，只能發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)的存在。但當(dāng)我們換一個(gè)參考系時(shí)，即在場(chǎng)源電荷q運(yùn)動(dòng)的參考系S′內(nèi)觀測(cè)時(shí)，則不但發(fā)現(xiàn)存在有電場(chǎng)，而且還有磁場(chǎng)。兩種情況下，場(chǎng)源電荷都一樣（而且具有相對(duì)論不變性），但電場(chǎng)和磁場(chǎng)的存在情況卻不相同。這種由于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，或者說(shuō)由于從不同的參考系觀測(cè)引起的不同，說(shuō)明電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)性聯(lián)系，或者說(shuō)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)具有相對(duì)性。

以上是筆者對(duì)電磁場(chǎng)的一些認(rèn)識(shí)，不妥之處肯定難免，希望批評(píng)修正。

（責(zé)任編輯 易志毅）