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电场是如何变成磁场的(电流磁效应的由来)
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假设在一个通电线圈中有一块磁铁(也就是初始时既有电场又有磁场),并在某一时刻突然改变电流大小,如果观察者A与线圈中的载流子始终保持相对静止,那他看到的就是电场线数量没变,是由于穿过载流子的磁场线数量/磁通量变化产生了感应电场(其中均匀变化的磁场产生恒定的电场,不均匀变化的磁场产生变化的电场);假设观察者B与磁铁保持相对静止,则同一时刻他看到的是磁场线数量没变,是由于穿过磁畴/原子小磁铁的电场线数量/电通量变化产生了感应磁场(其中均匀变化的电场产生恒定的磁场,不均匀变化的磁场产生变化的电场)。在施力物和受力物不变的情况下,不可能因为选取的参照物不同而导致连两者之间相互作用的力或力场都改变了,所以只能得出电场与磁场是不同参照系下的同一个东西,都属于电磁场,只不过电场是我们身处相对于电荷静止的参考系下所看到的电磁场(即我们与电荷处于同一时空坐标系下);磁场是我们身处相对于电荷运动的参考系下所看到的电磁场(即我们的时空坐标与电荷所处的时空坐标要进行洛伦兹变换才能统一,这个统一时空所带来的附加效果就是磁力,毕竟是速度联系了时空、而力就是速度的变化或者说时空的变化。由此可知,当运动电荷静止后我们就会看到它的磁场变成了电场),而不同参考系下电磁场内光子能量的时空分布不同,带来了不同的时空坐标变化效果,所以才让人觉得是不同的力。 洛伦兹力也是同理,假设在火车上放一个导体线圈,地面上放一块磁铁。火车开动朝磁铁匀加速前进后,火车上的导体就会切割地面上磁铁的磁感线,从而在回路里产生电流。但是,当我们分别站在地面和火车上这两个不同参照系下看该现象时,矛盾的事情就发生了,在地面上,我们看到的是:磁铁相对于我们静止,磁感应强度没有变化,当火车经过时,火车上运动的导体切割磁感线,导体内的自由电荷在洛伦兹力作用下定向移动产生了感应电流。而如果我们在火车上看,就是导体和回路相对于我们静止,是磁铁从远方不断靠近,当磁铁经过我们时,线圈回路里的磁通量/磁场突然增强了,进而产生了电流,是电场力推动电荷运动产生电流。也就是说同一个过程,以地面为参照系看是磁场不变时的洛伦兹力在推动电荷,以火车为参照系则是磁场均匀变化导致的电场力在推动电荷,火车上的人觉得是线圈内变化的磁场产生了电场力;地面上的人则觉得是随线圈运动的电荷在静止的磁场中受到了洛伦兹力。所以,电场力和洛伦兹力也是不同参照系下的一个东西,只是电场力是我们在与电荷相对静止的参考系下看到的电磁力,而洛伦兹力是我们在与电荷相对运动的参考系下看到的电磁力,或者说洛伦兹力的本质是电场力的洛伦兹变换,只是电场力/光子能量在不同参考系下的不同时空分布而已(虽然电流中的电子远没有达到光速,甚至很慢,但库仑力的强度是万有引力的 10^36 倍,所以虽然这种时空差异带来的附加力对两个相对运动的宏观物体影响很小,但对于两个相对运动的电荷的影响就很大了)。 综上所述,只要相对运动的电荷停下来、或者部分停下来(即减速),那么任何磁场和洛伦兹力都会因为带电粒子之间的时空重合而立刻消失、变为电场力,这就是为什么麦克斯韦方程组中会有变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场了,说白了就是个时空参考系的重合效应。另外要注意,虽然洛伦兹力是在运动的电场力,但是感应电场力只是洛伦兹力的一个分力,还有一个分力是安培力: 【为什么洛伦兹力不做功,安培力却做功?】 https://www.bilibili.com/video/BV1BQ4y1S78L/?share_source=copy_web&vd_source=592e8da42cb6f80fe3cd3c58d1b85a1e 【磁场的本质与狭义相对论】 https://www.bilibili.com/video/BV1hp4y197eA/?share_source=copy_web&vd_source=592e8da42cb6f80fe3cd3c58d1b85a1e 【磁场是电场的相对论效应吗?】 https://www.bilibili.com/video/BV1M14y1U7rW/?share_source=copy_web&vd_source=592e8da42cb6f80fe3cd3c58d1b85a1e
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