电 磁 场 的 本 质

电 磁 场 的 本 质

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（xx 学院 xx 学院 物理学）

摘要：关于场的本质问题，哲学界自上世纪50年代以来一直争论不休，占主导地位的观点认为，场是物质的一种特殊形态。电磁场的物质性是整个电动力学和电磁学的基本 问题为了更清晰地了解电磁场的客观本质，从电磁场满足一般物质的定义、电磁场同实物一样具有质量、能量、动量、角动量以及电磁场同实物的统一来讨论电磁场的物质性 。 关键词:电磁场；电磁波；电磁力；电磁能量；物质性

1、电磁场物质性的引入

物质的定义是：独立存在于人的意识之外的客观实在。把电磁场，特别是变化电磁场（即电磁波）的广泛引用作为其客观实在的依据，而定义电磁场为物质，是满足物质定义的。但作为专门研究电磁现象和电磁场运动规律的学科——电磁学和电动力学，是不能简单地用这个定义来定义电磁场物质性的，应从教学研究的角度出发，根据电磁现象和电磁场的对外表现，探讨它的客观属性，进而阐明它的物质性，才能正确建立电磁场的物质性概念。

现行的教材中电磁场的物质性，是从特例静电场入手的：根据两个静止点电荷之间存在相互作用的现象，认为电荷周围存在着电场，引入电场中的带电体都要受到力的作用，说明电场力的存在，带电梯在电场中移动时，电场力对带电体做功说明电场具有能量，但这个电场力的传递有“超距作用”之嫌；电场的能量是由电位能： 来说明，这也有“静电能归电荷和所有之嫌”。同理，教材中磁场的物质性也有“磁力超距作用”和“静磁能归电流所有之嫌”。因此不少学生对电磁场的物质性不易接受，甚至产生怀疑。

我们知道马克思主义哲学是关于自然界人类社会和人的思维本质，运动及其一般规律的理论，这种理论是通过对自然学科知识，思维（认识）科学知识的概括和总结产生，并随着人类的实践和认识的不断发展而发展的。

电磁场本质的两种观点：第一，电磁场是物质，物理学界，电磁场是物质的观点率先形成。法拉第在研究电磁现象是，首先将“场”范畴作为物理理论的一个基本范畴来

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处理。当时对电磁现象的理解是：电荷周围空间产生一种叫“电场”的介质，而电场又反过来以力作用与电荷物体；电荷或磁体在其周围空间产生一种叫做“磁场”的介质，而磁场也反过来以力作用于电流或磁体。到19世纪60年代，麦克斯韦在法拉第研究的基础上用数学形式解释了电磁现象的联系，并且从理论上预言了电磁波的存在以及电磁波的传播速度接近光速。后来这个预言被赫兹所证实。由于电磁场虽然原则上只存在于虚空空间，但它不仅具有能量，也具有栋梁，因此他被看作是与物质一样的实在；第二，电磁场是空间：在赫兹建立动体电动力学理论后不久，洛伦兹对电磁场的本质有了与前人相反的认识。他同意电磁场原则上只存在于虚空空间的观点，但他不同意物质是电磁场的载体的说法。他认为，物质的基本粒子只能运动，他们之所以用电磁效应，完全在于他们带有电荷。在他看来有原子组成的物质是电荷的唯一基体。物质粒子之间是虚空空间，他是电磁场的基体，电磁场就是有那些位于物质粒子上的点电荷的位置和速度产生的，而场有反过来一有质动力作用在电荷上。电磁场有种物质之间的唯一关系就是：基元电荷是固着在原子论性物质粒子上这一事实。洛伦兹在这一认识的基础上，成功建立起了一个关于当时已知的一切电磁现象完备的理论，而赫兹的动体电动力学理论则成了其中的一部分。

2、对电磁场物质性的阐述

1.电磁场是独立存车子与人的意识之外的客观实在的物质。因为实物具有波粒二象性，同样电磁波也具有波粒二象性，拿它的波动性来讲也是满足物质性的概念。如变化的电磁场即电磁波，最简单的平面波具有着样的特征：

（1） 电磁波为横波，E 和B 都与传播方向垂直；

（2） E 和B 互相垂直，B E ⨯沿波矢K 方向；

（3） E 和B 同相，振幅比为υ。

平面电磁波沿传播方向各点上的电场和磁场瞬时值如图所示：

它运动的普遍规律就能告诉我们电磁场离开源（即电荷Q=0和电流=0处）而能独立存在的理论依据，也就是麦克斯韦方程组：

0t

D =•∇=•∇∂∂+=⨯∇∂∂-=⨯∇B D j H t

B E ρ

麦克斯韦方程这是磁场对电场作用的基本规律。它不仅告诉我们电荷电流激发电磁场以及电磁场内部运动的一般规律，更重要的是它为我们证明电磁场的物质性提供了理论依据。

2.力作用是物质和物质之间的一种作用，同理电磁场对电荷电流体系的作用，也是满足力的定义的。只不过这种力是洛伦兹在总结了静态场基础上推广到一般情况得到的，所以叫做洛伦兹力。这种场和电荷，电流发生作用也是电磁场具有物质所体现的一方面。电荷电流系统单位体积所受的电磁力密度ρ，下面给出洛伦兹力的表达式：B J E f ⨯+=ρ

当然，对于一个电量为q ，粒子的运动速度为v ，电磁场对它的作用力为：)(B v E q F ⨯+=

物理学实验证实了洛伦兹力公式对以任意速度运动的带电粒子都适用。电磁场本身就具有波粒二象性，这就相当于告诉我们；麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式是揭示电磁场物质性的理论基础和依据。

3.电磁场同一般物质一样具有质量，惯性。我们之所以说电磁场是物质，是应为它具有一般物质所具有的属性。比如说，它是客观存在的，有质点组成的，具有质量等。又因为电磁场是由质点（光子）组成的，这些同时具有粒子的性质。下面我们从爱因斯坦的质能关系式2E mc =来了解电磁场具有质量、惯性这方面的性质。任何能量都具有质量，电磁场的质量与能量之间符合爱因斯坦的智能关系式2E mc =，其中c 是真空中光速，电

磁场的质量是极其微小的。比如，真空中某电磁场的电场强度达m v /108，磁感应强度达26/10m wb ，这样的场强已是相当高了，相应的电磁场能量体密

度252/1042.4)(21

m J E em ⨯=+=εω也相当大了，而相应的质量密度3122/1091.4//m kg c w v m m -⨯='=='，虽然这是极其微小的量，不过从物理的角度来说，电磁场的质量7是具有原则意义的。例如，光照射于物体表面时，会对物体表面有压力，这是为什么呢？这个光压现象的解释和光压力的大小的计算就必须用光这种电磁波具有质量的事实来解释和计算。

根据爱因斯坦在相对论中著名的质能关系式，具有能量ε的电磁场其质量为：2/c m ε=，只能讲物质是能量密度集中的地方，场是能量密度小的地方。例如，直径1米的铜球充电到1千伏电势周围的电场仅23102-⨯克，而普通实验室用磁铁产生的磁场也只有1510-克，可是场的质量或能量同实物相比，小到无法测定。不过电磁场只具有运动质量，而没有静止质量，另外光压作用也说明了电磁场具有质量，因为没有质量的物质才能对其他物体呈现压力作用。具有能量的电磁场具有质量，而质量又是惯性大小的量度，所以爱因斯坦在《物体的惯性同它所含能量有关吗》一文中惯性与能量概念联系起来，而支出具有能量的电磁场亦有惯性。再者电磁场的传播虽是变化电磁场相互激发的结果，但从机械运动论的观点维持这种运动是电磁场具有惯性的结果。

4.电磁场同实物一样具有动量与角动量，电磁场具有动量，是由于光照射到物体上对物体有光压作用而被发现的，这光压等于施压物质——光的动量变化引起的，这就证明了电磁场具有一定的动量。电磁场的动量，是由于电磁场对电荷有洛伦兹力作用，措意电磁动量可以通过场对电荷的力而与其它形式的动量相互转化。

电磁场的动量是一个矢量，单位体积中的电磁动量称为电磁动量密度，其值决定于电场和磁场强度，其方向总是垂直于电感应强度υ 和磁感应强度B 所确定的平面，切等

于：B E B D g em ⨯=⨯=ε、

电磁动量密度和point 矢量之间存在如下关系：2c

S g em = 对于真空中的平面电磁波，由于0

ˆk C S em ω =，因此 k C

g em em ˆω=