【2017年整理】法拉力线的功绩和误导.doc

法拉第力线的历史功绩及其误导 司 今 （广州毅昌科技研究院 广州 510663 E-mail:jiewaimuyu@126.com） 摘 要 ：英国物理学家迈克尔.法拉第于1831期间、在研究电磁感应现象时形成“力线”观念，他用磁力线、电力线来描述磁铁与带电金属球体周围的力分布“状态”；现在我们知道，那就是磁场、电场分布状态线，其实就代表电荷、磁体周围的力场强度分布强弱。力线思想直接影响高斯引入几何学去解决球体电荷周围的场强分布规律，启迪麦克斯韦建立电磁波方程组。法拉第力线不仅奠定了近代场物理学的基础，而且还将“看不见、摸不着”的场概念从抽象中解放出来，让人对场概念有了更直观地认知。但法拉第力线同时也对后来物理学的发展产生很多误导，而且这种误导是带有基础性的，因此有必要对法拉第力线作进一步解读，本文正是本着这一思想尝试性地去探讨法拉第力线的功过是非。 关键词：法拉第力线 高斯定理 场物理学 电子电场 磁偶极子 单极磁子 中文分类号： 0441 文献标识码：A 0、引言 牛顿力学是现代物理学大厦的基础，认真理解和分析牛顿力学体系很有必要。 纵观牛顿力学体系，他应包含二个相对独立的内容：1、接触力力学：他提出了牛顿三大定律，即惯性定律，加速度定律、作用力与反作用力定律，主要解决机械运动、弹性、摩擦等方面的宏观力学问题。2、非接触力力学：他给出了万有引力定律，它是开普勒第三定律与惠更斯圆周运动定律相结合的产物，是“场”物理学的雏形。 牛顿万有引力以及后来的库伦电、磁荷力公式出现时，还没有“场”概念提出，人们只知道这三个定律描述的力都符合平方反比规律，并不知道如何解读和统一描述它们。 是一位名不见转的小实验师---法拉第开始尝试用力线思想来解释当时条件下的一些电、磁现象，这种形象化的力线思想由于直观且可以验证，很快就得到物理学界的认可，如图-1就表示了法拉第对力线的描述与验证。 力线思想其实就孕育着物理学“场”思想的出现，同时也预示着电磁学与牛顿经典力学决裂时刻的到来；高斯定理与麦克斯韦方程组的出现奠定了“场物理学”的基础，从此，物 理学进入了电磁场、量子场、曲率场等群“场”逐鹿的时代。 图-1法拉第电、磁力线的描述与实验 1 法拉第力线[1] 力线就是用来直观地图示电场分布的虚设的有向曲线族，曲线上每一点的切线方向与该点电场方向一致。 17世纪初，“力线”这一术语已在描述有关磁的现象中提到。M.法拉第在研究电磁感应现象时(1831年)形成“力线”观念，他用磁力线来描述磁铁周围的“状态”（现在理解为场）。以后在研究电介质性质时，他注意到电介质的极化情况与软铁的磁化情况非常相似，促使他引入电力线来描述带电体周围的“状态”。法拉第并不擅长数学，因此，他几乎完全用几何和物理的术语来说明他所观察到的电磁现象。力线还是他用来批判当时居统治地位的超距作用观念的武器。在他看来，力线是物质的，充满了整个空间；力线好像橡皮筋，在纵向具有张力，在横向彼此排斥；力线从一个带电体联向另一个带电体，从而以张力作用于带电体上，在介质外的空间区域，电介质材料具有聚集电力线的作用，等等。法拉第还进一步设想电力管，它是一些与闭合曲线相交的电力线围成的管子，管中电力线数为常数；空间任一点垂直于力线单位截面上的力线数反映了该处的电力强度（即电场强度）。 法拉第的力线观念曾启发W.汤姆孙（即开尔文）对电磁现象同其他物理现象如流体的流动、热流以及固体弹性作对比研究(1847～1854)，并鼓励J.C.麦克斯韦研究建立电磁现象的统一理论(1856～1864)。然而，法拉第赋与电力线过多的物质性质，如看成橡皮筋、具有张力等等，带有机械论色彩。1864年麦克斯韦宣读的一篇论文中去掉了开始曾启发他而其实并不需要的力线模型，仅保留了数学方程组和场（仅作为描述以太状态）观念，并把他的体系定名为“电磁场的动力理论”。在麦克斯韦的电磁理论中，法拉第赋与电力线的力学性质可根据麦克斯韦胁强张量得出。 现在，电力线仅看作描述电场分布的图示法，它比较直观和形象，不仅可用来图示静电场（从而可以图算电场的分布），也可用来图示非稳恒时的电场以及辐射场，至今在物理教学和实用工程中仍广泛采用。 根据电场的性质可导出电力线的若干性质：①静电场中，在没有电荷的空间里，电力线一般不会相交，也不会中断;②静电场中的电力线不会闭合，它总是起于正电荷，止于负电荷；③在静电场中，若孤立带电体系的正、负电荷一样多，则正电荷发出的电力线全部汇集于负电荷；④静电场中电力线与等位面正交；⑤静电场中导体附近的电力线与导体表面垂直；⑥静电场中电力线不能起止于同一导体上；⑦在变化的磁场周围形成环形闭合电力线；⑧匀速运动的带电粒子的电力线朝赤道面（带电粒子所在处垂直运动方向的平面）方向密集；⑨辐射场的电