关于电磁现象一致性的几点注记

1、关于电磁现象一致性的几点注记(本文发表在<<工程师论坛>>2005年第10期)广东省珠海市前山中学物理教研室 熊志权摘 要 :本文从文献1的结论出发，在不同的惯性参考系中导出电荷与电荷之间、运动电荷与电流之间、电流与电流之间的相互作用规律，得出电场和磁场在表达上具有完全的一致性。关 键 词 ：狭义相对论 电场 磁场 惯性参考系 一致性Some Notes on Consistency of the Electricity and MagnetismXIONG Zhi-quan (Qianshan Middle School of Zhuhai City ,Guangdo

2、ng 519070)Abstract: This paper based on literature1,deduce the action between charges,currents,motive charge and current in different inertia reference system,deduce an agnetic field may be represented in the same way as an electric field.Keywords: Special theory of relativity, Magnetic field, Elect

3、ric field, Inertia reference system, Consistency关于电磁现象一致性的几点注记O 引言从经典电磁理论知道，静止的电荷能够产生电场，运动的电荷既能产生电场又能产生磁场，而静止是具有相对性，运动是绝对的，因此电场和磁场是存在紧密的联系。物理学上把力的性质进行分类时，电场力和磁场力都属于同一种性质的力，电场和磁场是一种物质的两个方面，在给定的参考系中，电场和磁场表现出不同的性质，但是当参考系变换时，它们可以相互转化。下面通过几个实例，我们更能认识到电场和磁场在本质上的一致性。1 带电粒子之间的相互作用如图（1）所示：有一惯性和另一相对于作匀速运动的惯性系

4、 它们三轴平行，且x轴和轴相互重合，在系中固定一场源电荷q0和一检验电荷q在P（x，y，z，）随系一起向右匀速运动，如果在中进行观察，场源电荷是静止的，它只产生电场，它在空间产生的电场强度为：图1sq则检验电荷q在系中所受的电场力为： oox写成分量形式是：zz（1）其中：现在来找系与s系之间各物理量的关系，且在t=0时观察,根据洛仑兹变换有坐标变换公式： （2） 其中 根据力的变换规律，结合（2）、（3）两式把力F，变换到S系中观察见文献1 有： （3） 考虑到在系中， 结合（1）式， 则（3）式可化为： （4）把（5）式定成矢量式是：= + +=+= +=其中：,=,zzoxoxvssq2

5、这正是我们熟悉的洛仑兹力表达式，从上面的分析可看出，同一场源电荷既可视为静止的，又可视为运动的，它完全取决于惯性系的选取。根据相对性原理，电磁现象的基本规律对任一惯性参考系可以表示成相同的形式，即相对论认为一切惯性系都是等价的，因此经典电磁理论认为“静止的电荷产生静电场，运动的电荷产生电场又能产生磁场”就没有本质的区别。2电流对运动电荷的作用如图（2）所示：在惯性系s 中有长直导线电流强度为I向左。一检验电荷 离导线的距离为y处运动，速度的大小为导线中自由电子定向移动和速率，方向沿电流方向。设单位长度内的电荷密度为，导体中自由电子定向移动的速率为v，在稳恒条件下I=nevs=，即v=，现在惯性

6、系S中观察（S系相对于导线静止）由于通电导线中正电荷和负电荷的线密度相等，即导线上的净电荷为何0，则检验电q0荷所受电场力也为0，在导体中正电荷是静止的，因此q0只受运动的负电荷对它产生的磁场力的作用。根据毕奥-萨伐尔定律和积分理论：yF=q0v = q0 （6）为了进一步说明电场和磁场在本质上的一致性，我们再在惯性系S，中观察q0所受力的作用，其中S，相对导线以v向右作匀速直线运动，由于在S，系中q0是静止的，所以它只受电场力的作用，而不受磁场力的作用。为什么在S系中q0不受电场力的作用，而在S，系中又受电场力的作用？难道导线中有静电荷？这都是由于相对论效应所引起的，正负电荷在S，系中的分布

7、受到程度不同的洛仑兹收缩，即正负电荷的线密度不再相等，导线不再呈中性而，而是有多余的正电荷！在系中负电荷变成静止，而正电荷以速度v向右运动，由于电荷是一个洛仑兹标量，是相对论中不变的量，根据相对论中的长度变换，由文献2可知导体在系中正负电荷的线密度分别为： 则在S系中导线上的净电荷为：- =根据高斯定理：E，=，再利用力的变换公式，把这个力变到S系中并注意有：F=，这就是S系中检验电荷所受的电场力，与S系中计算的各负电荷所这生的磁场力的结果完全一致，并且就是经典电磁学中长的通电直导线所产生的磁场。3两通电直导线之间的作用力如图3所示，求导线b 对a的作用力，我们选不同的参考系也会有相同的结论。

8、在s系中（s是固定在导线上的参考系），由于在s系中a导体中的正电荷是静止的,因此导线a所受的力是负电荷所受磁场力的空间积累效应：图3yxoybaII（7）现在我们在系中进行观察（系是以速度v平行于导线向右运动）此时，导线a中电子只受电场力的作用，正电荷既受电场力的作用又受磁场力的作用，前面第二个问题提过，它所受的磁场力和电场力大小相等方向相反，相互抵消，根据上面的结论E，=如果把转换到s系中:=（8）从上面可看出：检验电荷受到的力究竞是电场力还是磁场完全取决于参考系的选取，电场和磁场属于同一种性质的场，为什么人们要引入磁场呢，根据上面的分析，我们发现在不同的坐标中用相对论变来变去是很繁琐甚至引起混乱，为此要寻找简洁的思维途径，有一个更好的办法就是引