为什么磁生电 需要磁通量变化?
电生磁磁场到力 这两部转换就不需要一个变化的量。 (就比如奥斯特实验 通过恒定电流的导线周围会产生一个恒定的磁场。而恒定的磁场会对处在磁场中的一个小磁针产生恒定的力的作用。) 这就很舒服
但是机械能到磁场能再到电能的过程 就需要磁通量的改变 也就是说需要一个改变的量 才能完成 力到磁再到电的过程。 磁生电与电生磁,不是一个互逆的过程吗?为什么他们需要的条件不一样呢?
这就是自然规律。如果一定要深究这种不对称,原因可能在于没有磁单极子。
观察一下麦克斯韦方程组,产生磁场的方式有两种,恒定电流以及变化的电场。但是对应的产生电场的那一个方程,就只有变化的磁场,因为自然界没有「磁流」。倘若有磁单极子及其流动产生的「磁流」,令题主感到不适的不对称性是不是就消失了?
电生磁、磁生电,指的本就是变化的电场和磁场,与问题中的奥斯特实验无关。而在奥斯特实验中,小磁针机械能的直接来源是其在磁场中的势能,而这部分势能来源于电能。所以,被忽略的细节是,有无小磁针,对导线中的电流是有影响的。倘若有足够精密的测量,在有小磁针的情形中,消耗的电能是会多一点点的。我来「形而上」地用通俗的语言概况一下吧:
综合大家的解释,简单来说就是,磁是电子的运动的产生的。
想一下,哪种磁场不是用电子的运动来解释的:磁铁?电磁铁?地磁?
用哲学的话来说,运动是绝对的,所以不存在绝对静止的电子。
所以,磁场和电场是分不开的,所以才有电磁波嘛。
宇宙的真相就是:所有的电子都在运动,带著电场和磁场,在某些特殊情景下才会呈现一定的规律。
至于,点源的电场,那只是理想的标准研究模型。
我觉得题主的问题不应集中在「磁生电为什么需要变化」,而应在「电生磁为什么可以不变化」。
而在「恒定电流明明是恒定的量怎么产生了磁场」的问题上,我们只要说明「恒定电流其实也是通过变化来产生磁场的」就可以解决疑问了。
顺带也引出了相对论对电磁的统一解释。
- 首先,恒定电流哪恒定呢?
对于站在桌子旁边的观察者小明来说,在他看来这个电流是恒定的。
- 那恒定电流哪变化呢?
对于小明看不到的导线中的电子来说,电子是不断运动的。也就是说,在小明的参考系里,大家(除了电子,包括质子)是一种运动状态,而电子则是另一种运动状态。正是由于电子的这种相对于静止的「变化」导致了磁场的产生。
- 那么这个「变化」的电子究竟是怎么引发磁场的呢?
先强调一点,恒定电流周围的确是恒定电场。(无论说是恒定电流产生了恒定电场还是恒定电场产生了恒定电流)虽然一个单独的运动电荷确实会在周围空间产生变化电场,但对于一整根载有恒定电流的导线,在我们所研究的区域内,电场既没有空间变化,也不会有时间变化。也就是说,「变化的电场」并不是磁场真正的成因,只是对运动电荷的一种描述;并不是运动的电荷产生了变化的电场从而引发了磁场,而是电荷本身的运动引发了磁场。
现在我们想像小明把手伸过来,在导线下面放了一个平行于导线方向的小磁针。
小磁针里也有很多朝相同方向运动的电子,(安倍分子电流模型。磁铁由于具有取向相同的分子电流而显磁性,这也说明磁体产生的磁场也是由于电荷的运动产生的,也用到我们正在说的电流产生磁场的解释)这是「小明参考系」中的第三种运动状态。
现在我们扮演小磁针里电子的角色。在「小磁针电子」的参考系里,能对他产生影响的物质(只考虑磁针从原来环境到现在环境中的变化,磁体原本就受的力不在考虑范围内)只有:导线里相对于它一种运动状态的电子和另一种运动状态的质子。在其他什么都不管的情况下,这两种带电粒子应该并一定对磁针中电子有电场力的作用,无论它们是否运动。
在小磁针电子看来,导线里的质子和电子并不以相同的速度朝它靠近或远离,因此对于它来说质子和电子由于速度不同而具有不同的尺缩效应,导致「小磁针电子」参考系下的电荷数量发生变化,所受的力则随之变化。
因为小磁针里的电子是环形运动,研究以它为参考系的运动未免复杂,我们考察一个一维运动的简单情景:假设一根导线通有向右的电流,导线旁边有一个(或一群)也向右移动的电子。在静止条件下,导线中的正负电荷抵消,不会对外界有力的作用。但对于此运动电子,在它看来导线里的电子以一个较大速度远离它,而导线里的质子以一个较小速度远离它。由于尺缩效应,它会「觉得」较大速度的电子变得比质子多了,由此便会受到一个斥力而远离这根导线。上述情形正是「通有反向电流的两根导线相互排斥」的相对论解释。回到一开始的实验中,同理小磁针会受到导线中电荷相对运动速度不同而产生的作用力,使小磁针最终偏转。
但是问题是,在小明看来(如果他能看到的话),导线仍然呈电中性,那导线整体不应该对磁针有作用力啊?但是实际的情况是小磁针的确转动了,于是人们引入了磁场的概念;对于这个使磁针转动的力,我们称之为磁力。同样的情形适用于磁体和通电导线周围的磁场,即电荷以一定速率匀速运动的情形中所产生的磁场,也就是恒定电流引发的磁场。
无论对于哪个参考系,电场力都是存在的,而磁场只有在运动时才出现。二者的区别即是参考系的选择。要么说磁场的本质就是电场的不同形式,要么我们说:
「磁场是电场的相对论效应。」
总结一下,麦克斯韦方程组揭示的电生磁的条件有两个,一个是恒定电流,一个是变化电场;二者实质上都是由移动的电荷产生的,因此存在「变化的量」。
题外话:
1.用量子力学也可以解释磁电现象,但由于广义相对论和量子力学........所以这方面我还没深入研究过,还请出门(不知道哪??)拐呀~
2.根据我的读题水平,我觉得题主应该是想找到一种电磁的对称感觉(宇宙的美)(???),从「变化」的角度上看的确是二者都存在,但由于世界上只有「带电粒子」而没有「带磁粒子」,所以不对称也的确存在。(其实按照我的理解,电场磁场都是一码事...)
3.以上均本人理解,欢迎各路大神打脸_(:з」∠)_
(码字好累啊!!!!!(ノ?益?)ノ彡┻━┻)
第一的回答是正确的,这个问题就是自然界的本质麦克斯韦方程组所决定的,磁场是无散场,电场是无旋场,也就是说一般情况下没有单独的磁偶极子,一般情况下有单独的电荷,电场线必然是从一极出发到另一极终止,磁场线自己成环。
而且一定要做类比的话,电流产生的磁场,由于电流是电荷运动的表征,所以应该说运动的电荷才能够激发磁场,但因为 ,所以恒定的电流和恒定的电场强度成正比,也就和恒定的电通量密度成正比,这才会有「电通量密度不变,电流恒定,此时会有恒定磁场」的结果。事实上如果看电磁场教科书的话,很多都没有研究恒定磁场的,都是直接从恒流场出发去做研究的。
以下是我自己感觉的部分,有点民科
电场可能是用于建立静止电荷和空间中场关系的,磁场可能是用于描述运动电荷和空间中场关系的,所以磁场很可能是由于电荷运动后的结果造成的,也就是说磁场有可能和相对论有关,要从这个角度上去说的话,可能就更复杂了....
两者没有不同,电生磁,改变了磁针的方向,所需能量可忽略而己,并非不需要能量的转化。
哈哈
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胡言几句:
变化的电场激发磁场,变化的磁场激发电场。这不是说明恒定电流其实是存在一部分变化的电场吗?而这部分电场将激发导线周围恒定的磁场。这部分电场应该是平行于截面。另外磁通量的变化,不就是要么B的变化,要么S的变化。磁场变化时,它激发的电场将导致导线中的电荷定向移动。面积变化时,导线中的电荷与磁场发生相对运动,若此时以电荷为参考系,不依然是变化的磁场在电荷周围激发了电场吗?