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千变万化的大自然具有很强的迷惑性。有时候它把真面目隐藏起来,用足以乱真的假象示人。电磁波或许正是这样。
电磁波(Electromagnetic wave)又叫电磁辐射。是由同相振荡相互垂直的电场、磁场在空间以波的形式移动,有效传递能量和动量。
1865年,James clerk maxwell预言了电磁波的存在,并建立了经典电磁理论: 电磁波——变化电场周围激发出磁场,变化磁场周围再激发出电场。电磁波通过电场、磁场在空间互相激变形成传播。
然而,磁场、电场的本质是什么呢?我们不妨把研究深入推进一步。
磁场本质:对放入其中的磁体有磁力作用的物质叫磁场。若磁针受力偏转,就断定周围有磁场;相反,不产生“磁力”的磁场,不能称其为磁场。“磁力”是磁场的唯一标志。有“磁力”,就有磁场存在。
电场:电荷之间的作用力场。一个静止电荷受到力,就可以断定周围有电场;相反,若电场中电荷不受任何力,就不能称其为电场。因此,“电力”是电场的唯一标志。
可见,磁场的实质是磁力;电场的实质是电力。那么,电磁波中的电场与磁场的相互激变,其实质是“电力”与“磁力”的相互激变。就是说:电磁波传播的是“电力”和“磁力”。而且是高频变化的“力”。
也就是说我们接收到的电磁波,实质是接收到微弱而高频的“力”。正是这个力推动了接收天线内的电子高频振荡,天线才获得“信号电流”。
电子有两个重要特性:其一,导体内电子之间有极强的可压缩性——即弹性;其二,电子质量非常微小。正是这两个特性,只要电磁波传来微弱的“电磁力”,就足以使接受天线内电子产生振荡,获得“信号电流”。
长期以来,电场、磁场引进“场”的概念,无意间掩盖了电场、磁场是“力”的本质,也掩盖了电磁波是传播“力”的本质特征。
千万不要小看这一认识上的微小变化,如果电磁波本来就是微弱的“电磁力”,那么,可能彻底改变我们对电磁波的本质认识。电磁波与机械波根本没有本质区别,它们都是振动力的传播。
下面,再来看电磁波的传播效果:
当电磁波传播到接收器(如收音机)天线时,天线内获得微弱的“信号电流”,所谓“信号电流”就是电子振荡电流,然而,电子为什么振荡呢?唯有“电磁力”才能推动电子振荡,因此,电磁波传播的其实就是微弱的“电磁力”。
既然电磁波是“力”,那么,传播电磁波的速度其实是传播“力”的速度。那么,“力”有传递速度。
若如此,则诞生一个新的物理量——“力的传递速度”。
也就是说,“力”从一个物体传递到另一个物体上时,“力”不是瞬时到达的,力有传递速度,也需要传递时间。(主要指远距离的非接触性的力,如相距远的磁力、电荷力)事实上,宏观世界的绝大部分力都是电磁力。
至此,我忽然恍然大悟,一个自然秘密豁然开朗了:
为什么物体的极限速度为光速c呢? 原来,“力”是物体加速的唯一条件,而“力”传递的最大速度就是电磁波最大速度——光速c.
根据牛顿定律(F=ma),“力”是产生加速度的根本原因,唯有“力”才能加速物体,因此,物体的速度永远无法超越“力”自身的最大速度——光速c。
假如物体速度达到光速c时,那么“力”已无法追上物体,物体速度也无法再增加。可见,物质的极限速度取决于“力”的最大速度——光速c。
(我们常常存在一个认识误区:在生活中,我们看到的作用力多是直接接触的力,好像并不存在力的空间传递。然而,所有的宏观力多是电磁力(万有引力除外),电磁力在本质上是非接触性的力。)
这个结论也符合客观事实:
1) 在粒子回旋加速器中,粒子依靠电场力加速,但是,无论怎么努力,粒子的速度总是小于光速c,原来,加速粒子的电场力的最大速度为光速c,因此,粒子的速度永远无法超越光速c。
2) 电磁波不需要传播媒介。磁力、电荷力都是非接触性的力,电荷之间、磁极之间的作用力不需要借助任何媒介,同样,电磁波也是“电磁力”传递,因此,电磁波不需要传播媒介,这说明电磁波传播的就是“电磁力”。
3) 光在玻璃内的速度为2c/3,当光穿越玻璃进入真空后,光的速度又增大到c,然任何物质的速度都不会无故增大。但如果光只是一种“力”,就能很好解释这一现象。
再看一种现象:
在小型变压器中,初级线圈中交流电产生的电磁力,通过铁芯传递到次级线圈,推动次级线圈内电子移动产生感生电流。
在此基础上, 如果大幅度提高初级线圈中交流电频率,同时,逐渐把初级、次级线圈距离分开,那么,次级线圈中的感生电流会逐渐变得微弱,最后变成极其微弱的“电流信号”。这是因为,随着初、次级线圈距离增大,次级线圈获得的电磁力迅速减小。
我们会发现,此时的初级、次级线圈其实就是电磁波的发射器、接收器。次级线圈中的微弱“电流信号”就初级线圈传来的电磁波——微弱“电磁力”。
在这个过程中可清晰看到,电磁波的实质是传递“电磁力”。
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