电磁动量问题

更新时间:2023-12-18 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:17111 浏览:80031

摘 要:本文涉及的麦克斯韦方程组、坡印亭定理、安培环路定律,电磁与电荷系统动量守恒定律以及能量守恒等诸多理论知识,主要采用对比的方法探讨了电磁波理论的力学特性,并给出了电磁波力学新的方法和思路,表明了电磁动量能够向系统冲量进行转化,对于开展宇航动力理论研究具有实用价值.

关 键 词 :物理学 电磁力学 电磁动量 宇航动力

中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2013)04(b)-0159-02

众所周知,物理学是以实验为基础的一门科学,其崇尚理性并非常注重逻辑推理.因为自然界不会主动告诉我们其本质规律与内在联系,因此,这门科学也充满了想象力,需要我们不断去洞察和思考.实践证明,通过物理学的研究,所发现和形成的基本概念、基本理论、实验方法、精密测试技术等,如今已被其他学科广泛得以推广应用,发挥着巨大的价值.其不仅使人类更加理性地认识我们生活的物质世界,推动了科学技术的革命与创新,同时对于人类物质世界的繁荣以及人类社会的文明与进步,也起到了十分重要的推动和促进作用.

电磁作为特殊物质之一,其与其他物质同样存有能量,且可以与其他物质实现能量的转换,符合能量与动量守恒规律,本文重点对这一内容进行了探讨研究,即主要通过电磁与带电系统之间发生相互作用,以及电磁能量与系统机械能的相互转换作用,有效证明电磁动量能够转化成带电体系统冲量,例如火箭的反冲过程,并且提出了该理论在航天航空、宇航动力学上的实用价值.

1.通过带电系统与电磁波组成体系模型,验证系统的总动量守恒规律

物质系统与电磁波之间的相互作用,大致可以归纳为如下四个类型.

1.1 光电效应

主要指光子与束缚电子之间发生作用,其中金属中的束缚电子完全吸收了光子的hv,让e成为一个自由电子从金属表面得以逸出.由于e吸收了光子的全部能量从金属表面脱离出来,因此能量是守恒的,系统的总动量也是守恒的.

1.2 康普顿效应

其大致相当于是光子与自由电子之间发生作用,此时自由电子只吸收了光子能量中的一部分,就是光子能量失去的这部分,使飞行方向发生了偏转.在康普顿效应中,e与光性碰撞,因此能量与动量是守恒的.

如果光子与外层电子发生碰撞时,其中光子的部分能量会传递给了电子,此时散射光子的能量会减少,导致散射光波长比入射光波长大,而反冲电子动能与光子能量之差相等.由此可证,微观粒子在发生相互作用时,是遵循动量、能量守恒定律的.

通过观察我们发生,反冲电子受到的冲量(力)为光子传递(光量子)动量,这时的作用力与牛顿第三定律并不相符.

1.3 黑体辐射

光子能够被物质发射或者吸收,在此过程中,是遵守动量、能量守恒定律的.

1.4 电磁感应

带电系统与电磁波共同组成了电磁体系,带电系统与电磁波能够进行能量和动量的交换,在单位时间内如果带电系统动量增加,则与电磁波动量输入相等.电磁波能量由发信天线辐射而出,之后沿着各个方向向前进行传播.如果在交变电磁波中置入一条导线,因磁力线会对导线进行切割,会在导线两端激励产生交变电压,即电动势,它的频率和发信频率是相同的.当导线处于闭合状态时,会产生感应电流.流入带电系统的电磁动量之于带电系统所作的功率可用公式表示为:

以下针对我们针对电磁波与带电系统的相互作用,通过动力学方法进行探索分析.换句话说,即研究电磁波之于带电系统在宏观运动时的受力情况,其中的关键是对电磁能量、动量传递的研究.电磁波之于带电系统的作用遵守能量、动量守恒规律,此时的带电系统所受冲量(力)为电磁波传递动量,然而带电系统中电子所受作用力与牛顿第三定律并不相符.

2.电磁能量的传播

通过麦克斯韦方程组可以表明:电场变化会使其周围空间有磁场产生,该磁场会环绕变化电场进行闭合,而磁场变化同样会使其周围空间有电场产生,该电场同样会环绕变化磁场进行闭合.因此,交变电场与交变磁场之间就会形成一个互相耦连的、不间断的、旋涡状的电磁场整体.当该电磁场由空间的某一点开始后,即会逐点相邻地按照恒定速度C向外进行传播.如此传播下去就会形成电磁波.对于已经发射出去的电磁波来说,就是在激发场源消失的情况下,其仍会继续存在和向前进行传播.因此,电磁能够与电荷和电流相脱离,单独存在的,通常按照波形进行运动.电磁能量在电磁场里是以体能密度来定域的.电磁场在空间里按照确定的速度进行传播.有实验可证,当观测点处于发射源较远距离时,需要经常一段时间,观测点才能收到场源发射过来的电磁波信号,这就表明电磁波传播是要经常一定时间才能完成的;电磁波是有能量的.电动力学研究表明,平面正弦电磁波能量的传播速度也即电磁波(相位)的传播速度(大小和方向).可见,在单位时间内流过垂直于传播方向单位面积的能量应该是:


当电磁波传播的同时,电磁能量也随之进行传播.某一空间点上电磁场的能量密度(单位体积内电磁场的能量)应该是:电磁波的能流密度矢量.

大小―― 在单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的能量;方向―― 电磁波的传播方向.

针对电磁场而言,我们从力、能角度探讨研究,可以分别得到两个物理量(表征电磁场性质),应当从能量角度揭示出物理现象的本质:例如,在电场中电势能与重力势能、粒子动能之间的转换,电路中电能、化学能、内能之间的转换,磁现象电本质其实就是运动电子所产生的磁场,而电磁感应现象的本质就是能量转化和能量守恒,麦克斯韦电磁场理论就是以能量转化和能量守恒为本质依据的,电磁波传播的本质就是传播能量与动量,电磁振荡的本质就是电场能和磁场能之间的相互转化和能量守恒,以上表明电磁波不仅传播能量,同时还传播动量,以下探讨电磁波的传播动量问题.

3.电磁波之于带电系统的作用

该式也表明了系统中的电子所受作用力的原因,其与牛顿第三定律并不相符,具体表现在带电系统之于电磁波能量和动量的接受(感应电流).我们若应用该作用力让系统在外太空做定向运动,就能够为航天航空、航天动力提供一种新的设计方案,其在航天航空和宇航动力方面具有很广的实用价值.

4.结语

针对本文带电系统的讨论,都是在能量守恒定理、动量守恒规律基础上进行的,如果是非纯电阻电路系统,则:电功等于电热+电路中转化成的其他形式的能,如果系统电路里有电流通过,电能就会转化为其他形式的能,发生物理变化.带电系统中的电流通过用电器作功(电场力移动,电荷作正功),电能会转化成其他形式的能.非纯电阻电路中,电功W>电热Q.该系统中,因有电磁波输入,带电系统电路里的电功会有部分产生电热,其他部分转变为机械功.即W等于E机+Q.具体而言就是: