Question

关于变化的电场产生磁场的问题

麦克斯韦认为，理想情况下，一个静止的电荷周围可以认为存在一个静电场，因此静止的电荷周围没有磁场。而一个匀速运动的电荷周围是一个动电场，会产生磁场。
但是如果另一个人和这个电荷一起运动，与电荷相对静止，那对他而言，这个电荷周围是不是就没有磁场？
那磁场的存在与否是否就与观测者有关？
还有个问题，如果有一个导体棒，使它在一个匀强磁场中向垂直于磁场方向运动，会产生感应电动势。但是对于这个磁场中的每一点而言，它们都是完全相同的，即无法辨别的，如果没有其他参照物，那导体棒怎样判断自己在运动从而产生感应电动势？

如果“我”是那个导体棒，“我”在重力和安培力综合作用下受力平衡，向下做匀速直线运动，在此期间，没有任何参照物可供参考，“我”也不知道自己受重力，“我”只看到自己所受合力为0，因此“我”认为“我”是静止的，“我”不就会看到自己静止在匀强磁场中，却又有感应电动势了吗？
“导体里面的所有的电子是不是都一起向右运动”关键是它们运动的参照物是什么？如果是匀强磁场，可匀强磁场是处处一样且连续的，怎样参考？
关键是导体在切割磁力线的本质是什么，匀强磁场处处一样，导体怎么知道自己在切割磁力线？而不是静止在磁场中？静止在磁场中的电荷是不会受到洛伦兹力的。

Answer 1

是的，兄弟你太聪明了。
磁场和电场其实是一回事情，观察者观测到的是电场力还是磁场力，完全和他所处的参考系有关系。
也就是说，电场力在另一个相对运动的参考系中，被观测到的是磁场力；但是它们本质上其实是一种东西。
鉴定的方法，可以用狭义相对论的相对密度以及相对速度的关系推导出来，然后就会发现：磁场力（或者叫做洛伦兹力）本质上和电场力在方程形式上也是统一的，具体怎么求我忘记了，但是这充分证明了电磁现象在经典物理学范畴里面的统一。具体你可以去看看费曼物理学，里面说的很详细。
当然麦克斯韦的电磁方程组，则是从理论以及形式上高度概括了电磁场变化的运动形式，这就不详述了。
小兄弟如果你只是一个高中生，就能想到这些问题，那么我由衷的佩服你。是个研究理论物理的好料子，加油！

追问

谢谢。
还有个问题，如果有一个导体棒，使它在一个匀强磁场中向垂直于磁场方向运动，会产生感应电动势。但是对于这个磁场中的每一点而言，它们都是完全相同的，即无法辨别的，如果没有其他参照物，那导体棒怎样判断自己在运动从而产生感应电动势？
是不是对于导体棒而言，磁场能转化成了电场能，也就是对于它而言，磁感应强度减小，电磁强度增加？

追答

首先通过刚才的解答，我想你已经明白了磁场力和电场力其实是一回事。一个运动的电荷在磁场中，会受到磁场力的作用产生偏转，也就是洛伦兹力的本质我想也不用多说了。
那么，导体在磁场中运动会产生感应电动势，也就是广泛应用的法拉第电磁感应定律，其本质的原理是什么呢？
当导体放在磁场中而且在外力的作用下运动时，组成导体的分子电荷（正电荷和电子，也就是负电荷）相当于在外力的作用下在磁场中运动。那么想想洛伦兹力的现象，运动电荷在磁场力的作用下，会朝和运动方向垂直的方向发生偏转（左手定则）。所以以上导体中的电荷，其实是在洛伦兹力作用下，会朝与导体棒运动方向垂直的方向，也就是顺着导体棒的方向运动！
大量的电荷都一起运动，如果回路不是闭合的，那么显然，在导体的一端就会和另外一端相比电荷量不均衡，这就是感应电动势的来源；如果回路是闭合的，就自然产生感应电流了。
所以这里面不是有什么单纯的磁场能在作怪，而是导体在切割磁力线时，把它自己的动能转化成了电能。

追问

关键是导体在切割磁力线的本质是什么，匀强磁场处处一样，导体怎么知道自己在切割磁力线？而不是静止在磁场中？静止在磁场中的电荷是不会受到洛伦兹力的。

追答

如上所述，所谓导体在切割磁力线，其实是电子在随着导体一起在磁场中运动。
就这么说吧，假设你推着导体在向右侧运动，那么导体里面的所有的电子是不是都一起向右运动？那么它在磁场中就会受到洛伦兹力的作用。
就这么简单。

追问

如果“我”是那个导体棒，“我”在重力和安培力综合作用下受力平衡，向下做匀速直线运动，在此期间，没有任何参照物可供参考，“我”也不知道自己受重力，“我”只看到自己所受合力为0，因此“我”认为“我”是静止的，“我”不就会看到自己静止在匀强磁场中，却又有感应电动势了吗？
“导体里面的所有的电子是不是都一起向右运动”关键是它们运动的参照物是什么？如果是匀强磁场，可匀强磁场是处处一样且连续的，怎样参考？

追答

这里面有一个问题，如果存在安培力，一定就存在闭合回路，那么导体中的电子相对于闭合回路的其他部分，其运动变化是可以被“感知”的。或者说，导体中的电子一定能看到随着它们的运动，闭合回路的面积在发生变化。这种闭合空间的伸缩直接导致穿过这个空间中的磁通量发生变化，从而产生了感应电动势。
这问题详细解释起来，似乎有点到底是鸡生蛋还是蛋生鸡一样。到底是存在方被感知，还是感知方存在~~~~~~物理学的令人心醉的地方正在于此。

Answer 2

运动电荷，产生磁场，
个人以为，
这个磁场客观存在于，它周围（能够影响）的空间，
跟观察者无关。即，无论是否有观察者，这个激发的磁场总是客观存在的。
正如我们儿时玩的游戏，用一块薄瓦片在水面“打漂漂”。
瓦片扔出后，平贴水面漂漂跳跃，在水面激发起一连串的优美的波圈，
人在岸边观察，波圈肯定是存在的；
一只蚂蚁站在跳跃的瓦片上观察，这个波圈也是是存在的；
即使没有观察者，这个波圈也是是存在的。
所以，个人认为，
一电子枪，向某一空间发射了一串电荷，电荷高速运动，在其周围激发了磁场，
这个磁场总是客观存在于它周围的空间，跟观察者无关。

打漂漂在我老家就是用一块薄薄地瓦片，平着水面扔出去，瓦片在水面上漂出几个很优美的水圈波儿，然后瓦片就沉入水中

追问

可是这样就矛盾了：
电荷与我相对运动，我观测到了磁场。而另一个人和这个电荷一起运动，与电荷相对静止，那对他而言，这个电荷周围应该就没有磁场。否则由于这个人完全可以认为他自己是静止的，他会看到静止的电荷周围出现磁场，相当于静电场产生磁场，违背“变化的电场产生磁场”。

追答

电荷，跟它周围的空间相对运动，在这个空间产生磁场。
注意，不是跟你之间的相对运动，而是电荷跟它周围空间的相对运动。
参照物，是电荷周围的空间。不是某一个人。

追问

不存在绝对静止的空间，现代物理学不承认绝对静止的以太的存在，也就是你所说的“周围空间”。
狭义相对论也说了，没有所谓的特殊的参考系，一切参考系都是平权的，不能认为“我”和另外的那个人水是绝对静止的，空间不能当做参照物，因为有无数多个相对运动的空间。
运动和静止都是相对的。

追答

个人认为，
这个问题不要想的太复杂，否则，就进了牛角尖；
相信麦克斯韦也没想那么复杂。
就“打漂漂”那个例子说吧，那个空间是指池塘；池塘可以作为参照物吧。
就CRT电子枪射出的电子而言，它的空间是显像管，显像管可作为参照物吧。
理解这个问题不应该把你自己作为参照物，
我是这么理解的，仅作为交流之用，是对是错，可能还需要高人指点。
你所提出的问题，可能已经超出了麦克斯韦方程的范畴。

Answer 3

如果另一个人和这个电荷一起运动，与电荷相对静止，那对他而言，这个电荷周围就没有磁场，
周围跟随的电荷越多，空间的惯性就越大，人的惯性质量就越大。

追问

空间没有惯性。
磁场的存在与否取决于观察者的运动状态？

追答

空间没有惯性，改变有质量物体运动状态就可以不用力。
电荷运动导致空间跟随即磁场，跟随的空间在空间中仍然有惯性会阻碍电流的改变。
如果观察者跟随电荷运动，则自身的运动状态更难改变。他发现自己因为电场变重了而不是磁场。
我们处于地球引力场中变重了，一般不会认为是银河系的空间磁场流动导致的。
假如把电感比喻成水轮机的惯性，那么低水位的水流会在水轮机的惯性下继续向高水位流动。
于是，有电感存在时，电容能被反向充电。

追问

“空间没有惯性，改变有质量物体运动状态就可以不用力。”
这是你自己创造的理论吧。
“假如把电感比喻成水轮机的惯性，那么低水位的水流会在水轮机的惯性下继续向高水位流动。于是，有电感存在时，电容能被反向充电。”
电容能被反向充电是因为电荷有惯性，电荷的惯性表现为磁场。是物质有惯性，不是空间有惯性。

追答

空间的惯性深入物质内部，在引力作用下跟随物体一起运动，物体要改变自己的运动状态就必然改变自己内部及周围空间的运动状态。比如地球附近大气跟随地球运动，而逃逸台的大气则不再如此。
加铁芯时空间惯性显著加强。电流本身的惯性非常微弱，可以忽略不计。没有三水轮机时水流的惯性也一样可以忽略。

Answer 4

磁场的存在，至于本身性质有关，
观测者只是观测其中的数据，并不能确定或决定其性质。

Answer 5

只要电荷运动 那么这个电荷肯定会产生磁场 另一个人和这个电荷一起运动，与电荷相对静止说明这个人处在这个电荷形成的磁场中

追问

由于是匀速运动，这个人完全可以认为自己是静止的，那这个人就会看到静止的电荷周围也形成了磁场吗？
这个人处在这个电荷形成的磁场中，那可以有无数多个人相对于这个电荷有无数个速度，可以检测到无数种磁场的大小，那这个人处在哪个磁场中？