电磁场的对称性与左性电磁波

电磁场的对称性与左性电磁波“对称”是指物体相同部分有规律的重复,从而达到一种平衡。对称电磁场是研究电磁场在发展变化中保持着某些不变的性质,对称就是一个平衡点。但电磁场的对称性是不完全的。如电磁波,其电场矢量、磁场矢量以及波矢方向满足右手定则,称为右性电磁波。从对称性上看,应有“左性”电磁波,即电场矢量、磁场矢量以及波矢矢量遵从左手定则,但目前在实用中尚无左性电磁波。

为此,笔者提出与右性电磁波相对称的左性电磁波,讨论左性电磁波出现的必然性、产生方法及其主要特性。

1左性电磁波是对称电磁场理论发展的必然结果

左性电磁波和右性电磁波构成了电磁场左、右对称性。左性电磁波的提出是有悖于传统的电磁感应理论的右手定则但却合乎自然界的对称规律。对称是生物进化发展的必然结果。人为了生存,必须形成对称结构[1]。鸟为了飞翔,左右翅膀必须对称,因此,科学和艺术都很重视对称性。对于科学,对称性决定了各种可能的守恒定律,因而更具有根本性的意义。在科学中,对称性是指某种操作下的不变性或者守恒性,对称性常与守恒定律相联系。与空间平移不变性对应的是动量守恒定律;与时间平移不变性对应的是能量守恒定律;与转动变换不变性对应的是角动量守恒;与空间反射(镜像)操作不变性对应的是宇称守恒。物理世界中存在多种对称形式:作用力与反作用力、正电与负电、吸引与排斥、正粒子与反粒子等。

电磁场的对称性就是不断发展完善的过程。从发现磁现象,到发现电,继而对电和磁的性质和规律的研究,都体现了电和磁的对称性。后来Maxwell提出了变化电场产生磁场,变化磁场产生电场的2个假设,创立了电磁场理论。通常的Maxwell方程组为该方程组深刻揭示了电磁现象的本质,描述了一般情况下电荷、电流激发电磁场以及电磁场内部运动的规律。Maxwell方程组一方面表明电与磁具有对称性,即变化电场产生磁场,变化磁场产生电场。另一方面又表明电场与磁场的对称性是不完全的。由式(1)、(2)可见,电场和磁场的旋度不对称,参与磁场形成的不仅有变化的电场,而且有电荷运动形成的电流;由式(3)、(4)可见,电场和磁场的散度不对称,磁场是无源的,电场是由电荷产生的。这表明,对称性赋予了电磁场统一的共性,使之和谐有序;对称破缺带给电、磁及由电磁形成的各种场的差异,打破了对称性造成的平衡、稳定、静止和不变的次序。由上述电磁场的对称性可见,左性电磁波和右性电磁波可构成左、右对称电磁场。由对称理论发展规律,存在左性电磁场是必然的。

2左性电磁波的存在性

根据对称原理,对称是事物发展的规律,是变化的统一。因此电磁场也应遵循这一规律,服从对称律。既然存在右性电磁波,就必然存在左性电磁波。在自然界中并没有介电常数ε和磁导率μ同时为负的材料,通常是使介电常数ε和磁导率μ同时为正的材料在一定条件下等效为负性材料的。假定材料中的原子和分子可以看作以某一固有频率ω0谐振的束缚电子谐振子。在外电场作用下,当外电场的频率ωω0时,电子相对于原子核产生一个位移,并且在外电场方向上诱导一个极化,即极化方向同外电场方向一致,此时介电常数为正。当ω→ω0时,谐振子同外电场发生谐振,外场诱导的极化很大,谐振子内积累了很大的能量,从而当外电场方向发生反转时,谐振子的极化方向几乎不受影响。也就是说,当频率接近于谐振频率ω0时,谐振子的极化由与外电场同相位转变为与外电场反相,从而出

现了负效应。这让右性电磁波通过左手材料后变为左性电磁波的波性转变方法是可行的,表明了符合左手定则的左性电磁波是存在。

当式(5)右边为“+”号,式(6)右边为“-”时,可导出式(11)、(12),也就可产生左性电磁波。式(5)、(6)的符号这样选取是否可能?可在在三维空间分析式(5)有

3左性电磁波的产生

笔者在国家自然科学基金项目《基于漏磁激波检测的三维图像信息重构原理研究》中,运用对称强电磁场装置进行了实验,发现同性极磁场撞击可

激发产生左性电磁波。

同性极磁场撞击时激发生成波是一种磁性波,激磁波是以图1所示的2线圈施加脉冲电流产生的,要求脉冲电流的上升沿极陡,2线圈电流同步,保证磁场在峰点相撞。同时要求线圈产生的磁场

终要回到S极,也就是说激磁波飞行不久要返回原处,但是,如果使磁源形成单极性磁源,则撞击时就可使磁力线飞行到无穷远处。图2给出了形成双端同极性磁源的方法。基于这一原理将图1中2线圈形成磁单极结构,激励电流产生的磁场方向相向。

在激发处施加同极性的具有磁单极性的磁场,如激磁波在近场具有磁单极性,则波被聚集且幅度增强;如激磁波在近场具有S-N或N-S偶极型结构,则波被削弱,甚至无发射。采用图3方法验证了磁激波的磁单极性。实验结果表明,发射波幅度增大近1倍,这说明激磁波在近场具有磁单极性。对于磁单极形成的场结构不如偶极型磁场牢固,其涡旋方向易于控制,这为产生左性电磁波奠定了基础。在激励电流完全对称时,激发波是沿x-y中心面对称的,2股激磁波平行运动。当激励电流不对称时,两边磁场不平衡,高的磁场梯度使涡旋方向转向磁场弱的方向。因此调节两激励电流的大小和脉冲前沿陡度,就可使激磁波的感生电磁波满足

×E和×B的取向,实现电场、磁场、波矢3矢量按式(9)、(10)右手定则或式(11)、(12)左手定则选择。由于激磁波是运动的磁场,因而可感生电磁波。改变激