電磁動(dòng)量問題研究

摘 要：本文涉及的麥克斯韋方程組、坡印亭定理、安培環(huán)路定律，電磁與電荷系統(tǒng)動(dòng)量守恒定律以及能量守恒等諸多理論知識(shí)，主要采用對比的方法探討了電磁波理論的力學(xué)特性，并給出了電磁波力學(xué)新的方法和思路，表明了電磁動(dòng)量能夠向系統(tǒng)沖量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對于開展宇航動(dòng)力理論研究具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物理學(xué) 電磁力學(xué) 電磁動(dòng)量 宇航動(dòng)力

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）04（b）-0159-02

眾所周知，物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門科學(xué)，其崇尚理性并非常注重邏輯推理。因?yàn)樽匀唤绮粫?huì)主動(dòng)告訴我們其本質(zhì)規(guī)律與內(nèi)在聯(lián)系，因此，這門科學(xué)也充滿了想象力，需要我們不斷去洞察和思考。實(shí)踐證明，通過物理學(xué)的研究，所發(fā)現(xiàn)和形成的基本概念、基本理論、實(shí)驗(yàn)方法、精密測試技術(shù)等，如今已被其他學(xué)科廣泛得以推廣應(yīng)用，發(fā)揮著巨大的價(jià)值。其不僅使人類更加理性地認(rèn)識(shí)我們生活的物質(zhì)世界，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的革命與創(chuàng)新，同時(shí)對于人類物質(zhì)世界的繁榮以及人類社會(huì)的文明與進(jìn)步，也起到了十分重要的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

電磁作為特殊物質(zhì)之一，其與其他物質(zhì)同樣存有能量，且可以與其他物質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，符合能量與動(dòng)量守恒規(guī)律，本文重點(diǎn)對這一內(nèi)容進(jìn)行了探討研究，即主要通過電磁與帶電系統(tǒng)之間發(fā)生相互作用，以及電磁能量與系統(tǒng)機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換作用，有效證明電磁動(dòng)量能夠轉(zhuǎn)化成帶電體系統(tǒng)沖量，例如火箭的反沖過程，并且提出了該理論在航天航空、宇航動(dòng)力學(xué)上的實(shí)用價(jià)值。

1 通過帶電系統(tǒng)與電磁波組成體系模型，驗(yàn)證系統(tǒng)的總動(dòng)量守恒規(guī)律

物質(zhì)系統(tǒng)與電磁波之間的相互作用，大致可以歸納為如下四個(gè)類型。

1.1 光電效應(yīng)

主要指光子與束縛電子之間發(fā)生作用，其中金屬中的束縛電子完全吸收了光子的hv，讓e成為一個(gè)自由電子從金屬表面得以逸出。由于e吸收了光子的全部能量從金屬表面脫離出來，因此能量是守恒的，系統(tǒng)的總動(dòng)量也是守恒的。

1.2 康普頓效應(yīng)

其大致相當(dāng)于是光子與自由電子之間發(fā)生作用，此時(shí)自由電子只吸收了光子能量中的一部分，就是光子能量失去的這部分，使飛行方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在康普頓效應(yīng)中，e與光子彈性碰撞，因此能量與動(dòng)量是守恒的。

如果光子與外層電子發(fā)生碰撞時(shí)，其中光子的部分能量會(huì)傳遞給了電子，此時(shí)散射光子的能量會(huì)減少，導(dǎo)致散射光波長比入射光波長大，而反沖電子動(dòng)能與光子能量之差相等。由此可證，微觀粒子在發(fā)生相互作用時(shí)，是遵循動(dòng)量、能量守恒定律的。

通過觀察我們發(fā)生，反沖電子受到的沖量（力）為光子傳遞（光量子）動(dòng)量，這時(shí)的作用力與牛頓第三定律并不相符。

1.3 黑體輻射

光子能夠被物質(zhì)發(fā)射或者吸收，在此過程中，是遵守動(dòng)量、能量守恒定律的。

1.4 電磁感應(yīng)

帶電系統(tǒng)與電磁波共同組成了電磁體系，帶電系統(tǒng)與電磁波能夠進(jìn)行能量和動(dòng)量的交換，在單位時(shí)間內(nèi)如果帶電系統(tǒng)動(dòng)量增加，則與電磁波動(dòng)量輸入相等。電磁波能量由發(fā)信天線輻射而出，之后沿著各個(gè)方向向前進(jìn)行傳播。如果在交變電磁波中置入一條導(dǎo)線，因磁力線會(huì)對導(dǎo)線進(jìn)行切割，會(huì)在導(dǎo)線兩端激勵(lì)產(chǎn)生交變電壓，即電動(dòng)勢，它的頻率和發(fā)信頻率是相同的。當(dāng)導(dǎo)線處于閉合狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。流入帶電系統(tǒng)的電磁動(dòng)量之于帶電系統(tǒng)所作的功率可用公式表示為：

以下針對我們針對電磁波與帶電系統(tǒng)的相互作用，通過動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行探索分析。換句話說，即研究電磁波之于帶電系統(tǒng)在宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況，其中的關(guān)鍵是對電磁能量、動(dòng)量傳遞的研究。電磁波之于帶電系統(tǒng)的作用遵守能量、動(dòng)量守恒規(guī)律，此時(shí)的帶電系統(tǒng)所受沖量（力）為電磁波傳遞動(dòng)量，然而帶電系統(tǒng)中電子所受作用力與牛頓第三定律并不相符。

2 電磁能量的傳播

通過麥克斯韋方程組可以表明：電場變化會(huì)使其周圍空間有磁場產(chǎn)生，該磁場會(huì)環(huán)繞變化電場進(jìn)行閉合，而磁場變化同樣會(huì)使其周圍空間有電場產(chǎn)生，該電場同樣會(huì)環(huán)繞變化磁場進(jìn)行閉合。因此，交變電場與交變磁場之間就會(huì)形成一個(gè)互相耦連的、不間斷的、旋渦狀的電磁場整體。當(dāng)該電磁場由空間的某一點(diǎn)開始后，即會(huì)逐點(diǎn)相鄰地按照恒定速度C向外進(jìn)行傳播。如此傳播下去就會(huì)形成電磁波。對于已經(jīng)發(fā)射出去的電磁波來說，就是在激發(fā)場源消失的情況下，其仍會(huì)繼續(xù)存在和向前進(jìn)行傳播。因此，電磁能夠與電荷和電流相脫離，單獨(dú)存在的，通常按照波形進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。電磁能量在電磁場里是以體能密度來定域的。電磁場在空間里按照確定的速度進(jìn)行傳播。有實(shí)驗(yàn)可證，當(dāng)觀測點(diǎn)處于發(fā)射源較遠(yuǎn)距離時(shí)，需要經(jīng)常一段時(shí)間，觀測點(diǎn)才能收到場源發(fā)射過來的電磁波信號(hào)，這就表明電磁波傳播是要經(jīng)常一定時(shí)間才能完成的；電磁波是有能量的。電動(dòng)力學(xué)研究表明，平面正弦電磁波能量的傳播速度也即電磁波（相位）的傳播速度（大小和方向）?？梢?，在單位時(shí)間內(nèi)流過垂直于傳播方向單位面積的能量應(yīng)該是：

當(dāng)電磁波傳播的同時(shí)，電磁能量也隨之進(jìn)行傳播。某一空間點(diǎn)上電磁場的能量密度（單位體積內(nèi)電磁場的能量）應(yīng)該是：電磁波的能流密度矢量。

大小—— 在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的能量；方向—— 電磁波的傳播方向。

針對電磁場而言，我們從力、能角度探討研究，可以分別得到兩個(gè)物理量（表征電磁場性質(zhì)），應(yīng)當(dāng)從能量角度揭示出物理現(xiàn)象的本質(zhì)：例如，在電場中電勢能與重力勢能、粒子動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，電路中電能、化學(xué)能、內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換，磁現(xiàn)象電本質(zhì)其實(shí)就是運(yùn)動(dòng)電子所產(chǎn)生的磁場，而電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)化和能量守恒，麥克斯韋電磁場理論就是以能量轉(zhuǎn)化和能量守恒為本質(zhì)依據(jù)的，電磁波傳播的本質(zhì)就是傳播能量與動(dòng)量，電磁振蕩的本質(zhì)就是電場能和磁場能之間的相互轉(zhuǎn)化和能量守恒，以上表明電磁波不僅傳播能量，同時(shí)還傳播動(dòng)量，以下探討電磁波的傳播動(dòng)量問題。

3 電磁波之于帶電系統(tǒng)的作用

該式也表明了系統(tǒng)中的電子所受作用力的原因，其與牛頓第三定律并不相符，具體表現(xiàn)在帶電系統(tǒng)之于電磁波能量和動(dòng)量的接受（感應(yīng)電流）。我們?nèi)魬?yīng)用該作用力讓系統(tǒng)在外太空做定向運(yùn)動(dòng)，就能夠?yàn)楹教旌娇?、航天?dòng)力提供一種新的設(shè)計(jì)方案，其在航天航空和宇航動(dòng)力方面具有很廣的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)語

針對本文帶電系統(tǒng)的討論，都是在能量守恒定理、動(dòng)量守恒規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果是非純電阻電路系統(tǒng)，則：電功=電熱+電路中轉(zhuǎn)化成的其他形式的能，如果系統(tǒng)電路里有電流通過，電能就會(huì)轉(zhuǎn)化為其他形式的能，發(fā)生物理變化。帶電系統(tǒng)中的電流通過用電器作功（電場力移動(dòng)，電荷作正功），電能會(huì)轉(zhuǎn)化成其他形式的能。非純電阻電路中，電功W>電熱Q。該系統(tǒng)中，因有電磁波輸入，帶電系統(tǒng)電路里的電功會(huì)有部分產(chǎn)生電熱，其他部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。即W=E機(jī)+Q。具體而言就是：

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