电磁波与电场和磁场有关吗

电磁波与电磁场有关吗？摘要主流认为：电磁波就是运动的电磁场，是根据麦克斯韦方程总结出来的，但是麦克斯韦方程一定正确吗？电磁波与电磁场是两个完全不同的物理概念，二者怎么可能相关呢？通过对麦克斯韦方程的分析，可以说明位移电流和涡旋电场的假设并不正确，变化的电场不能产生磁场，变化的磁场也不能产生电场，电磁波与电磁场没有关系，电磁波与声波一样是介质中的机械波。关键词：麦克斯韦方程，电磁场，电磁波，以太麦克斯韦方程正确吗？在科学的历史上，对麦克斯韦方程的评价充满了赞美之词，很多人对它的评价非常高，甚至把它捧上神坛。但是麦克斯韦方程真的正确吗？实际上，麦克斯韦方程仅仅来源于两个假设，一个是位移电流假设，另一个是涡旋电场假设。但是，这两个假设至今也没有得到实验的证明。位移电流假设在电磁学中，有一个很重要的定律——安培环路定律，这是一个经过实验检验的理论，并且可以由毕奥－萨伐尔定律导出，它反映了磁场与载流导线的关系：。但是，这个定律的成立是有条件的，并不是在任何条件下都成立（其条件为：导线是无限长的直导线，如果导线的长度是有限的或不是直的，安培定律就不成立）。麦克斯韦是在安培定律的基础上，提出了位移电流假设，得到全电流定律：。但是，麦克斯韦的全电流定律也是有条件的，并不是在任何条件下都成立（与安培环路定律成立的条件相同）。最关键的是：麦克斯韦的位移电流假设引起了很大的争论，位移电流能够产生磁场吗？最先否定位移电流假设的是RosserandG.V.W.[1]，北京大学物理系的赵凯华教授[2]直接否定了位移电流产生磁场，特别是清华大学物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句话：“直接论证了位移电流不激发磁场”，苏景顺、谢革英[4]从理论上证明了位移电流不能产生磁场。类似的文章还有很多，例如：朱久运[5]、李元勋[6]、江俊勤[7]等教授都是这个观点，因此，麦克斯韦所提出的位移电流假设就有了很大的疑问，而且很多实验证明：存在变化电场的情况下，测量不到磁场，例如：平板电容器中。在任何条件下都成立的只有毕奥－萨伐尔定律（还没有发现它不成立的例子），或者说，没有真实的电荷移动，就没有磁场。涡旋电场假设电磁学中的另外一个重要定律是法拉弟电磁感应定律：磁场中的一个导体回路，由于某种原因引起穿过回路的磁通量发生变化时，可以产生感生电动势，且正比于磁通对时间的变化率：。麦克斯韦把法拉弟电磁感应定律的应用范围推广到介质或真空中的任意闭合曲线的情况，表示为，其中，E表示涡旋电场。但是，真理往前再跨一步就会成为谬误，法拉弟定律的前提条件是：导体回路。如果没有这个条件，法拉弟定律也不成立，麦克斯韦直接把这个条件去掉了，这个方程还能成立吗？在导体回路中，产生感生电动势的原因是洛仑兹力的作用，并不是电场的作用，如果没有导体中的自由电子，无论磁通量如何变化也不可能产生出电场。因此，麦克斯韦的这个方程并不是在任何情况都成立，或者说，涡旋电场的产生需要一定的条件，例如，你在真空中无论如何挥动磁铁，也不可能产生出电场。在任何条件下都成立的是电场强度的决定式：E=kq/r2，或者说电荷q必须存在。曾清平教授[8]在《大学物理实验》杂志上连续发表了十篇关于法拉弟感应定律的文章，他在文章中明确指出：“时变磁场不产生电场，法拉弟和麦克斯韦的磁生电都是错误的，感生电流的产生都是洛仑兹磁场力的作用结果，不是法拉弟磁通量变化率产生的电动势，更不是磁通量变化率产生旋度电场的作用结果”。可惜的是：没有引起学界的重视。综上所述：“变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场”这种表述方法并不准确，甚至是错误的，而且只是一种表象。其实质是：没有电荷就不会存在电场，没有电荷的运动就不会存在磁场。波动方程的推导绝大多数的学者认为：可以从麦克斯韦方程组推导出波动方程。但必须有如下假设：∇×H=∂D/∂t，∇×E=-∂B/∂t，∇•B=0，∇•D=ρ，其中，D=εE，B=μH，c2=1/εμ。根据上述假设，确实可以推导出波动方程：∂2E/∂t2=c2∆E，或∂2H/∂t2=c2∆H，而且波动方程的解也可表示为：E=E0cos(ωt-kx+Φ)，或H=H0cos(ωt-kx+Φ)。但是，虽然用麦克斯韦方程组可以推导出波动方程，我认为那也只是数学上的游戏，没有任何物理上的意义，其原因如下：理想的平面波并不存在，假设电磁波为理想的平面波所推导出来的方程不具有普遍意义；∇×H=∂D/∂t和∇×E=-∂B/∂t这两个假设，有可能在某种条件下成立，但在没有自由电荷存在的情况下是不可能成立的，而且波动方程的解也不满足这两个假设，除非E0=ZH0，其中Z是真空波阻抗；波动方程的解也无法满足∇•B=0，∇•D=ρ，而且，在自然界中，也没有找到具有波动性的电场或磁场；在平面电磁波中，E和H是同相位的，同时变大或变小，这也是方程组无法解释的，或者说，E和H都是从哪里来的？D=εE，B=μH，c2=1/εμ这三个假设的根据是什么？如果真空中什么都没有，ε、μ这两个物理量的物理意义是什么？电磁场的本质电场和磁场都不能脱离源而存在在任何情况下，我们都可以运用电场强度的决定式E=kq/r2求出任何一点的电场强度（这里隐含了一个假设：电场没有传播速度，或传播速度为无穷大），在任何情况下，都可以运用毕-萨定律求出任何一点的磁场强度，或者说，任何关于计算电场或磁场的强度公式都可以由这两个基本公式推导出来，如果与这两个基本公式相悖，其结果很可能都是错误的。电场与磁场的关系电场是电荷产生的，没有电荷就没有电场，磁场是运动电荷产生的，没有电荷的运动就没有磁场。根据电场强度的决定式和毕—萨定律可以得出：。从这个关系式可以看出：当电荷的运动速度一定时，在任何一个观察点，磁场与电场之比是一个常数，与距电荷的距离无关，也说明了当电场强度一定时，磁场只与相对速度有关。从电场与磁场的关系可以看出：电场是本来就有的，只要有带电粒子存在，它是粒子的属性，但磁场与电场完全不同，它只有带电粒子运动时才存在，没有运动就没有磁场。电场与磁场的本质所谓的“场”，是为了解释“超距作用”而被引入到物理中的，它是一个抽象概念，指的是具有相互作用的空间，场被定义为物质的固有属性，是物质与生俱有的。电场，是一种真正的“场”，它是带电粒子的固有属性，与引力场具有相似的性质。但是，磁场并不是真正的“场”，而是一种带电粒子的运动效应。电场与磁场具有本质上的区别，一个是带电粒子固有的性质，与观察者无关，另一个是带电粒子相对观察者运动时才产生的效应。电磁波是什么？所谓的“波”，是指介质中的振动，是能量在介质中的传播。电磁波是“波”，没有人怀疑，它具有一切机械波的所有性质，与空气中的声波具有非常相似的性质，很多在声波的定理、公式可以在电磁波中直接应用。如果用电磁场的理论解释电磁波，很多电磁波的性质根本无法解释，因为场与波是两种完全不同的物理概念，二者风马牛不相及。电磁波是什么波呢？本文认为：电磁波就是以太[9]中的波，是粒子在以太中振动形成的。之所以称为电磁波，完全是历史的误会。如果电磁波是以太中的波，所有的物理量才具有物理意义：E代表以太压强的变化量，H代表体积元的速度，ε代表以太的体积压缩系数，μ代表以太的密度，Z=E0/H0、c2=1/εμ才是合理的。电磁波的产生电磁波与其它波一样，其产生的必要条件是：粒子的振动，电场或磁场的变化并不能产生电磁波。如图1所示的电路中，如果把线圈屏蔽，无论线圈中的信号如何变化，也无法产生电磁波，但磁棒（铁氧体）的周围却存在变化的电场和变化的磁场，说明了变化的电场和磁场是无法产生电磁波的。图1.只产生交变电场和磁场的磁棒那么，电磁波是如何产生的呢？实际上，任何波的产生必须要有物体的振动，或者说，任何物体的振动都可以产生波，但这个物体的加速度不能是常数。在天线中，产生电磁波的必要条件是电子的振动，在天线中，电子是如何振动的呢？如图2所示，是一个常见的半波天线发射系统，它是由两个长度为λ/4的导体组成，发射机的作用是从一个导体中抽取电子，传递给另一个导体。图2.电磁波的产生如果交变的电流能够产生电磁波，就不需要对天线系统提出其他要求，只要天线上存在足够强的电流即可。为什么要对天线提出很多的要求呢？是为了使电子获得充分的振动。电子是如何振动的？当发射机对其中一个导体注入电子时，由于导体内部不能长时间存在净电荷，多余的电子将会向导体的表面运动（趋肤效应），但是电子又无法脱离导体，就会象气球从水中浮出一样，在导体的表面形成振动（这也是形成高次谐波的主要原因）。为什么天线导体的长度为λ/4？为了使电子振动的强度最大。由于电子的密度波（相当于水管中的水击波）速度与光速相近，当导体的长度为λ/4时，会导致密度波的叠加，从而增加电磁波的强度。电磁波的强度与天线上电子的振动有关，可以通过波动方程描述；电场的强度与天线上的电势有关，与电流强度无关，可以通过电场强度的决定式求出；磁场的强度与天上的电流强度有关，与天线上的电势无关，可以通过毕—萨定律求出。电场和磁场构成天线的近场，电磁波构成天线的远场。可以看出：这三个物理量都没有直接的关系。电磁波的偏振任何介质中的波，是否偏振是由波源决定的，如果波源纵向振动的同时还存在横向运动，那么，它所产生的波一定是偏振的，如果横向运动是一维的，它就是线偏振，如果是二维的，它就是椭圆偏振。在天线上，由于电子振动的位置是变化的，也就是说，电子振动最大值的位置是随着时间改变的，因此，天线所辐射的电磁波也是偏振的，如果天线是直的，电磁波就是线偏振，如果天线是圆形的，电磁波就是圆偏振。电磁波的传播在天线周围，即存在电磁场，也存在电磁波，但电磁场是无法向外传播的，因为它只能存在于天线的周围。电磁波的传播方式与声音在空气中的传播方式是相似的，所不同的是：空气介质的运动是简谐振动，而电磁波介质的的运动方式是椭圆运动。有一位知乎网友SiCo，在《失落的秘密——基于以太的电磁波模型》中，给出了电磁波在以太中的传播过程。他在文中写到：“当我看到这个基于以太的模型的时候，一下子被震撼到了，这解释了我若干天以来对电磁波的若干困惑：电磁波的形状，电磁波怎么传输，磁场和电场到底什么关系，电磁波为什么没有能量耗散，电磁波的方向，所有的问题，被这个模型一下子就解决了。这个基于以太的电磁波模型，实在是太美了！这就是物理的美，甚至胜过数学的美！用一个形象驱动，远胜过用一堆算式去推导”。详情请参阅：/p/310097037结论电磁波与电磁场是两个完全不同的概念，二者几乎没有关系，电磁波实际上是以太中的波（麦克斯韦也承认以太的存在），把电磁波当作运动的电磁场，是否定以太后的无奈之举。参考文献[1]Rosser,andG.V.W.."Doesthedisplacementcurrentinemptyspaceproduceamagneticfield?."Am.j.phys44.12(1976):1221-1223.[2]赵凯华.位移电流不激发磁场简例[J].大学物理，2001,20(6):40-40[3]高炳坤.对《位移电流不激发磁场简例》一文的补充[J].大学物理,2002,21(9):30-31.[4]苏景顺,谢革英.似稳条件下位移电流不激发磁场的证明及其例证[J].河北建筑工程学院学报，2007,25(4):3[5]朱久运.关于位移电流激发的磁场[J].大学物理，1983，2(11)：9-12[6]