電磁波與電場(chǎng)和磁場(chǎng)有關(guān)嗎

電磁波與電磁場(chǎng)有關(guān)嗎？摘要主流認(rèn)為：電磁波就是運(yùn)動(dòng)的電磁場(chǎng)，是根據(jù)麥克斯韋方程總結(jié)出來的，但是麥克斯韋方程一定正確嗎？電磁波與電磁場(chǎng)是兩個(gè)完全不同的物理概念，二者怎么可能相關(guān)呢？通過對(duì)麥克斯韋方程的分析，可以說明位移電流和渦旋電場(chǎng)的假設(shè)并不正確，變化的電場(chǎng)不能產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也不能產(chǎn)生電場(chǎng)，電磁波與電磁場(chǎng)沒有關(guān)系，電磁波與聲波一樣是介質(zhì)中的機(jī)械波。關(guān)鍵詞：麥克斯韋方程，電磁場(chǎng)，電磁波，以太麥克斯韋方程正確嗎？在科學(xué)的歷史上，對(duì)麥克斯韋方程的評(píng)價(jià)充滿了贊美之詞，很多人對(duì)它的評(píng)價(jià)非常高，甚至把它捧上神壇。但是麥克斯韋方程真的正確嗎？實(shí)際上，麥克斯韋方程僅僅來源于兩個(gè)假設(shè)，一個(gè)是位移電流假設(shè)，另一個(gè)是渦旋電場(chǎng)假設(shè)。但是，這兩個(gè)假設(shè)至今也沒有得到實(shí)驗(yàn)的證明。位移電流假設(shè)在電磁學(xué)中，有一個(gè)很重要的定律——安培環(huán)路定律，這是一個(gè)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論，并且可以由畢奧－薩伐爾定律導(dǎo)出，它反映了磁場(chǎng)與載流導(dǎo)線的關(guān)系：。但是，這個(gè)定律的成立是有條件的，并不是在任何條件下都成立（其條件為：導(dǎo)線是無(wú)限長(zhǎng)的直導(dǎo)線，如果導(dǎo)線的長(zhǎng)度是有限的或不是直的，安培定律就不成立）。麥克斯韋是在安培定律的基礎(chǔ)上，提出了位移電流假設(shè)，得到全電流定律：。但是，麥克斯韋的全電流定律也是有條件的，并不是在任何條件下都成立（與安培環(huán)路定律成立的條件相同）。最關(guān)鍵的是：麥克斯韋的位移電流假設(shè)引起了很大的爭(zhēng)論，位移電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)嗎？最先否定位移電流假設(shè)的是RosserandG.V.W.[1]，北京大學(xué)物理系的趙凱華教授[2]直接否定了位移電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，特別是清華大學(xué)物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句話：“直接論證了位移電流不激發(fā)磁場(chǎng)”，蘇景順、謝革英[4]從理論上證明了位移電流不能產(chǎn)生磁場(chǎng)。類似的文章還有很多，例如：朱久運(yùn)[5]、李元?jiǎng)譡6]、江俊勤[7]等教授都是這個(gè)觀點(diǎn)，因此，麥克斯韋所提出的位移電流假設(shè)就有了很大的疑問，而且很多實(shí)驗(yàn)證明：存在變化電場(chǎng)的情況下，測(cè)量不到磁場(chǎng)，例如：平板電容器中。在任何條件下都成立的只有畢奧－薩伐爾定律（還沒有發(fā)現(xiàn)它不成立的例子），或者說，沒有真實(shí)的電荷移動(dòng)，就沒有磁場(chǎng)。渦旋電場(chǎng)假設(shè)電磁學(xué)中的另外一個(gè)重要定律是法拉弟電磁感應(yīng)定律：磁場(chǎng)中的一個(gè)導(dǎo)體回路，由于某種原因引起穿過回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，可以產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，且正比于磁通對(duì)時(shí)間的變化率：。麥克斯韋把法拉弟電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用范圍推廣到介質(zhì)或真空中的任意閉合曲線的情況，表示為，其中，E表示渦旋電場(chǎng)。但是，真理往前再跨一步就會(huì)成為謬誤，法拉弟定律的前提條件是：導(dǎo)體回路。如果沒有這個(gè)條件，法拉弟定律也不成立，麥克斯韋直接把這個(gè)條件去掉了，這個(gè)方程還能成立嗎？在導(dǎo)體回路中，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因是洛侖茲力的作用，并不是電場(chǎng)的作用，如果沒有導(dǎo)體中的自由電子，無(wú)論磁通量如何變化也不可能產(chǎn)生出電場(chǎng)。因此，麥克斯韋的這個(gè)方程并不是在任何情況都成立，或者說，渦旋電場(chǎng)的產(chǎn)生需要一定的條件，例如，你在真空中無(wú)論如何揮動(dòng)磁鐵，也不可能產(chǎn)生出電場(chǎng)。在任何條件下都成立的是電場(chǎng)強(qiáng)度的決定式：E=kq/r2，或者說電荷q必須存在。曾清平教授[8]在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》雜志上連續(xù)發(fā)表了十篇關(guān)于法拉弟感應(yīng)定律的文章，他在文章中明確指出：“時(shí)變磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)，法拉弟和麥克斯韋的磁生電都是錯(cuò)誤的，感生電流的產(chǎn)生都是洛侖茲磁場(chǎng)力的作用結(jié)果，不是法拉弟磁通量變化率產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，更不是磁通量變化率產(chǎn)生旋度電場(chǎng)的作用結(jié)果”。可惜的是：沒有引起學(xué)界的重視。綜上所述：“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”這種表述方法并不準(zhǔn)確，甚至是錯(cuò)誤的，而且只是一種表象。其實(shí)質(zhì)是：沒有電荷就不會(huì)存在電場(chǎng)，沒有電荷的運(yùn)動(dòng)就不會(huì)存在磁場(chǎng)。波動(dòng)方程的推導(dǎo)絕大多數(shù)的學(xué)者認(rèn)為：可以從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出波動(dòng)方程。但必須有如下假設(shè)：?×H=?D/?t，?×E=-?B/?t，??B=0，??D=ρ，其中，D=εE，B=μH，c2=1/εμ。根據(jù)上述假設(shè)，確實(shí)可以推導(dǎo)出波動(dòng)方程：?2E/?t2=c2?E，或?2H/?t2=c2?H，而且波動(dòng)方程的解也可表示為：E=E0cos(ωt-kx+Φ)，或H=H0cos(ωt-kx+Φ)。但是，雖然用麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出波動(dòng)方程，我認(rèn)為那也只是數(shù)學(xué)上的游戲，沒有任何物理上的意義，其原因如下：理想的平面波并不存在，假設(shè)電磁波為理想的平面波所推導(dǎo)出來的方程不具有普遍意義；?×H=?D/?t和?×E=-?B/?t這兩個(gè)假設(shè)，有可能在某種條件下成立，但在沒有自由電荷存在的情況下是不可能成立的，而且波動(dòng)方程的解也不滿足這兩個(gè)假設(shè)，除非E0=ZH0，其中Z是真空波阻抗；波動(dòng)方程的解也無(wú)法滿足??B=0，??D=ρ，而且，在自然界中，也沒有找到具有波動(dòng)性的電場(chǎng)或磁場(chǎng)；在平面電磁波中，E和H是同相位的，同時(shí)變大或變小，這也是方程組無(wú)法解釋的，或者說，E和H都是從哪里來的？D=εE，B=μH，c2=1/εμ這三個(gè)假設(shè)的根據(jù)是什么？如果真空中什么都沒有，ε、μ這兩個(gè)物理量的物理意義是什么？電磁場(chǎng)的本質(zhì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)都不能脫離源而存在在任何情況下，我們都可以運(yùn)用電場(chǎng)強(qiáng)度的決定式E=kq/r2求出任何一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（這里隱含了一個(gè)假設(shè)：電場(chǎng)沒有傳播速度，或傳播速度為無(wú)窮大），在任何情況下，都可以運(yùn)用畢-薩定律求出任何一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，或者說，任何關(guān)于計(jì)算電場(chǎng)或磁場(chǎng)的強(qiáng)度公式都可以由這兩個(gè)基本公式推導(dǎo)出來，如果與這兩個(gè)基本公式相悖，其結(jié)果很可能都是錯(cuò)誤的。電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系電場(chǎng)是電荷產(chǎn)生的，沒有電荷就沒有電場(chǎng)，磁場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的，沒有電荷的運(yùn)動(dòng)就沒有磁場(chǎng)。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的決定式和畢—薩定律可以得出：。從這個(gè)關(guān)系式可以看出：當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)速度一定時(shí)，在任何一個(gè)觀察點(diǎn)，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之比是一個(gè)常數(shù)，與距電荷的距離無(wú)關(guān)，也說明了當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，磁場(chǎng)只與相對(duì)速度有關(guān)。從電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系可以看出：電場(chǎng)是本來就有的，只要有帶電粒子存在，它是粒子的屬性，但磁場(chǎng)與電場(chǎng)完全不同，它只有帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)才存在，沒有運(yùn)動(dòng)就沒有磁場(chǎng)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)的本質(zhì)所謂的“場(chǎng)”，是為了解釋“超距作用”而被引入到物理中的，它是一個(gè)抽象概念，指的是具有相互作用的空間，場(chǎng)被定義為物質(zhì)的固有屬性，是物質(zhì)與生俱有的。電場(chǎng)，是一種真正的“場(chǎng)”，它是帶電粒子的固有屬性，與引力場(chǎng)具有相似的性質(zhì)。但是，磁場(chǎng)并不是真正的“場(chǎng)”，而是一種帶電粒子的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)具有本質(zhì)上的區(qū)別，一個(gè)是帶電粒子固有的性質(zhì)，與觀察者無(wú)關(guān)，另一個(gè)是帶電粒子相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生的效應(yīng)。電磁波是什么？所謂的“波”，是指介質(zhì)中的振動(dòng)，是能量在介質(zhì)中的傳播。電磁波是“波”，沒有人懷疑，它具有一切機(jī)械波的所有性質(zhì)，與空氣中的聲波具有非常相似的性質(zhì)，很多在聲波的定理、公式可以在電磁波中直接應(yīng)用。如果用電磁場(chǎng)的理論解釋電磁波，很多電磁波的性質(zhì)根本無(wú)法解釋，因?yàn)閳?chǎng)與波是兩種完全不同的物理概念，二者風(fēng)馬牛不相及。電磁波是什么波呢？本文認(rèn)為：電磁波就是以太[9]中的波，是粒子在以太中振動(dòng)形成的。之所以稱為電磁波，完全是歷史的誤會(huì)。如果電磁波是以太中的波，所有的物理量才具有物理意義：E代表以太壓強(qiáng)的變化量，H代表體積元的速度，ε代表以太的體積壓縮系數(shù)，μ代表以太的密度，Z=E0/H0、c2=1/εμ才是合理的。電磁波的產(chǎn)生電磁波與其它波一樣，其產(chǎn)生的必要條件是：粒子的振動(dòng)，電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化并不能產(chǎn)生電磁波。如圖1所示的電路中，如果把線圈屏蔽，無(wú)論線圈中的信號(hào)如何變化，也無(wú)法產(chǎn)生電磁波，但磁棒（鐵氧體）的周圍卻存在變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)，說明了變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是無(wú)法產(chǎn)生電磁波的。圖1.只產(chǎn)生交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的磁棒那么，電磁波是如何產(chǎn)生的呢？實(shí)際上，任何波的產(chǎn)生必須要有物體的振動(dòng)，或者說，任何物體的振動(dòng)都可以產(chǎn)生波，但這個(gè)物體的加速度不能是常數(shù)。在天線中，產(chǎn)生電磁波的必要條件是電子的振動(dòng)，在天線中，電子是如何振動(dòng)的呢？如圖2所示，是一個(gè)常見的半波天線發(fā)射系統(tǒng)，它是由兩個(gè)長(zhǎng)度為λ/4的導(dǎo)體組成，發(fā)射機(jī)的作用是從一個(gè)導(dǎo)體中抽取電子，傳遞給另一個(gè)導(dǎo)體。圖2.電磁波的產(chǎn)生如果交變的電流能夠產(chǎn)生電磁波，就不需要對(duì)天線系統(tǒng)提出其他要求，只要天線上存在足夠強(qiáng)的電流即可。為什么要對(duì)天線提出很多的要求呢？是為了使電子獲得充分的振動(dòng)。電子是如何振動(dòng)的？當(dāng)發(fā)射機(jī)對(duì)其中一個(gè)導(dǎo)體注入電子時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)部不能長(zhǎng)時(shí)間存在凈電荷，多余的電子將會(huì)向?qū)w的表面運(yùn)動(dòng)（趨膚效應(yīng)），但是電子又無(wú)法脫離導(dǎo)體，就會(huì)象氣球從水中浮出一樣，在導(dǎo)體的表面形成振動(dòng)（這也是形成高次諧波的主要原因）。為什么天線導(dǎo)體的長(zhǎng)度為λ/4？為了使電子振動(dòng)的強(qiáng)度最大。由于電子的密度波（相當(dāng)于水管中的水擊波）速度與光速相近，當(dāng)導(dǎo)體的長(zhǎng)度為λ/4時(shí)，會(huì)導(dǎo)致密度波的疊加，從而增加電磁波的強(qiáng)度。電磁波的強(qiáng)度與天線上電子的振動(dòng)有關(guān)，可以通過波動(dòng)方程描述；電場(chǎng)的強(qiáng)度與天線上的電勢(shì)有關(guān)，與電流強(qiáng)度無(wú)關(guān)，可以通過電場(chǎng)強(qiáng)度的決定式求出；磁場(chǎng)的強(qiáng)度與天上的電流強(qiáng)度有關(guān)，與天線上的電勢(shì)無(wú)關(guān)，可以通過畢—薩定律求出。電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成天線的近場(chǎng)，電磁波構(gòu)成天線的遠(yuǎn)場(chǎng)?？梢钥闯觯哼@三個(gè)物理量都沒有直接的關(guān)系。電磁波的偏振任何介質(zhì)中的波，是否偏振是由波源決定的，如果波源縱向振動(dòng)的同時(shí)還存在橫向運(yùn)動(dòng)，那么，它所產(chǎn)生的波一定是偏振的，如果橫向運(yùn)動(dòng)是一維的，它就是線偏振，如果是二維的，它就是橢圓偏振。在天線上，由于電子振動(dòng)的位置是變化的，也就是說，電子振動(dòng)最大值的位置是隨著時(shí)間改變的，因此，天線所輻射的電磁波也是偏振的，如果天線是直的，電磁波就是線偏振，如果天線是圓形的，電磁波就是圓偏振。電磁波的傳播在天線周圍，即存在電磁場(chǎng)，也存在電磁波，但電磁場(chǎng)是無(wú)法向外傳播的，因?yàn)樗荒艽嬖谟谔炀€的周圍。電磁波的傳播方式與聲音在空氣中的傳播方式是相似的，所不同的是：空氣介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而電磁波介質(zhì)的的運(yùn)動(dòng)方式是橢圓運(yùn)動(dòng)。有一位知乎網(wǎng)友SiCo，在《失落的秘密——基于以太的電磁波模型》中，給出了電磁波在以太中的傳播過程。他在文中寫到：“當(dāng)我看到這個(gè)基于以太的模型的時(shí)候，一下子被震撼到了，這解釋了我若干天以來對(duì)電磁波的若干困惑：電磁波的形狀，電磁波怎么傳輸，磁場(chǎng)和電場(chǎng)到底什么關(guān)系，電磁波為什么沒有能量耗散，電磁波的方向，所有的問題，被這個(gè)模型一下子就解決了。這個(gè)基于以太的電磁波模型，實(shí)在是太美了！這就是物理的美，甚至勝過數(shù)學(xué)的美！用一個(gè)形象驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)勝過用一堆算式去推導(dǎo)”。詳情請(qǐng)參閱：/p/310097037結(jié)論電磁波與電磁場(chǎng)是兩個(gè)完全不同的概念，二者幾乎沒有關(guān)系，電磁波實(shí)際上是以太中的波（麥克斯韋也承認(rèn)以太的存在），把電磁波當(dāng)作運(yùn)動(dòng)的電磁場(chǎng)，是否定以太后的無(wú)奈之舉。參考文獻(xiàn)[1]Rosser,andG.V.W.."Doesthedisplacementcurrentinemptyspaceproduceamagneticfield?."Am.j.phys44.12(1976):1221-1223.[2]趙凱華.位移電流不激發(fā)磁場(chǎng)簡(jiǎn)例[J].大學(xué)物理，2001,20(6):40-40[3]高炳坤.對(duì)《位移電流不激發(fā)磁場(chǎng)簡(jiǎn)例》一文的補(bǔ)充[J].大學(xué)物理,2002,21(9):30-31.[4]蘇景順,謝革英.似穩(wěn)條件下位移電流不激發(fā)磁場(chǎng)的證明及其例證[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,25(4):3[5]朱久運(yùn).關(guān)于位移電流激發(fā)的磁場(chǎng)[J].大學(xué)物理，1983，2(11)：9-12[6]