马克士威对电磁波的预测:HSC 物理
了解马克士威如何揭示变化的电场与磁场能形成自行传播的电磁波。内容包括例题详解、常见迷思,以及具挑战性的 HSC 风格题目与解答。
无线电发射器可以将能量传送到数公里外的空旷空间。发射器和你的收音机之间没有导线,而且中间也不需要有空气。那么,实际上在传播的是什么?
在马克士威之前,电学与磁学看起来可能是两个彼此相关、却又各自独立的主题。电荷会产生电场。电流会产生磁场。法拉第也已经证明,变化的磁场能产生电效应。
现在来做一个预测。如果变化的磁场能产生电场,那么变化的电场是否也能反过来产生磁场?
马克士威意识到,答案必然是肯定的。补上这个缺失的部分后,方程式便得出了一个非凡的结果:电场与磁场中的扰动能以波的形式穿越空无一物的空间。
这种波就是电磁辐射。光就是其中一个例子。
01马克士威必须解决的问题
先从两个已确立的观念开始。
静止电荷会产生电场。稳定电流会产生磁场。
法拉第的实验还揭示了一个较不直观的现象:当磁通量改变时,就会出现电场。这正是电磁感应背后的物理原理。
你可以阅读马克士威对电与磁的统一,回顾马克士威如何将这些观念整合起来。
然而,这里存在一种不对称性。
变化的磁场能产生电场,但最初用来描述磁学的方程式,却将电流视为产生环绕磁场的唯一来源。
马克士威怀疑,这套描述并不完整。
02电容器揭示了问题
想像一个正由电池充电的电容器。
电流沿著导线流向其中一块电容器极板。电子在一块极板上累积,并从另一块极板离开。
然而,没有电荷穿过两块极板之间的绝缘间隙。

现在,想像你在导线周围画出一个回路,并问:是什么产生了这个回路周围的磁场?
如果你在回路上张开一个假想曲面,让它穿过导线,那么电流就会穿过这个曲面。
没有问题。
但你也可以将同一个曲面延伸到电容器的两块极板之间。此时,没有传导电流穿过这个曲面。
磁场不可能取决于你选择哪一个假想曲面。因此,马克士威需要在电容器的间隙中找到某种效应,让它扮演类似电流在磁学中所扮演的角色。
这种效应确实存在:两块极板之间的电场正在改变。
马克士威加入了一个与变化的电通量有关的项。这个项通常称为位移电流项。
HSC 物理的核心概念其实比这个名称听起来简单:
变化的电场会产生磁场。
这就补足了我们理解电磁波所需的对称性。
03电场与磁场如何形成传播中的波?
想像一根发射天线,其中的电荷不断来回加速运动。
这种运动会在天线周围产生变化的电场。
这个变化的电场与变化的磁场有关。
磁场也会改变,因此根据法拉第定律,会产生环流电场。
这种扰动不会只停留在天线旁边。马克士威方程式允许彼此耦合的电场与磁场向外传播。
一个有用的初步比喻是体育场中的人浪。一个人开始移动,接著附近的人作出反应,再接著更远处的人也作出反应。这个图样会向前传播,即使每个人本身并没有绕著整座体育场移动。
对于电磁波而言,穿越空间移动的是电磁扰动。
不过,这个比喻有一个重要的限制。体育场中的人会因为看到邻近的人而作出反应,但电场与磁场并不是会互相观察的微小物体。精确的描述由马克士威方程式给出:电场与磁场在空间及时间上的变化彼此耦合,因而允许波向外传播。
04两个关键要素
对于在真空中传播的电磁波:
- 变化的磁场与环流电场有关。
- 变化的电场与环流磁场有关。
第一点来自法拉第定律。第二点则来自马克士威对安培定律所作的修正。
人们通常将这个观念概括为:变化的电场与磁场会「彼此维持」。
这种说法很有用,但需要谨慎理解。它并不是指电场先消失、等待一段时间,再制造出磁场,而磁场之后又制造出一个新的电场。
两种场都是同一个电磁系统的一部分。马克士威方程式描述它们的数值如何随著空间与时间共同变化。
05电磁波的形态是什么?
假设一个电磁波沿著 \(\,x\,\) 方向传播。
它的电场可能沿著 \(\,y\,\) 方向振荡,而磁场则沿著 \(\,z\,\) 方向振荡。

这三个方向彼此垂直:
- 电场 \(\vec E\);
- 磁场 \(\vec B\);以及
- 波的传播方向。
因此,电磁波是横波。
对于在真空中传播的平面电磁波,传播方向由下列向量的方向决定:
\[ \vec E \times \vec B \]
其中,\(\vec E\) 是电场,\(\vec B\) 是磁场。
你不需要想像这些场像绳子一样实际摆动。代表场强度与方向的箭头,会随著位置与时间而改变。
06马克士威的惊人预测
马克士威将变化的电场项纳入方程式后,预测电磁扰动应以以下速度传播:
\[ v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} \]
其中:
- \(v\) 是预测的波速,单位为公尺每秒;
- \(\mu_0\) 是真空磁导率;以及
- \(\varepsilon_0\) 是真空介电常数。
使用
\[ \mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\ \text{T m A}^{-1} \]
以及近似值
\[ \varepsilon_0 = 8.85\times10^{-12}\ \text{F m}^{-1}, \]
预测的波速约为
\[ 3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}. \]
当时人们已经知道,这大约就是光速。
这个结论具有重大意义:光可能是一种电磁波。
如今,我们已经知道,无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线,全都属于电磁辐射。它们的差异在于频率与波长,而不是它们在真空中传播的基本机制。
例题:计算马克士威预测的波速
使用 \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \text{T m A}^{-1}\) 及 \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \text{F m}^{-1}\),计算电磁波在真空中的预测速度。
步骤 1
\[ v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} \]
步骤 2
\[ v= \frac{1}{ \sqrt{ (4\pi\times10^{-7}) (8.85\times10^{-12}) } } \]
两个常数的乘积约为
\[ (4\pi\times10^{-7})(8.85\times10^{-12}) \approx1.11\times10^{-17}. \]
因此,
\[ v\approx \frac{1}{\sqrt{1.11\times10^{-17}}} \approx3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}. \]
步骤 3
预测的速度为
\[ v\approx3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}, \]
这与真空中的光速一致。
因此,马克士威有充分的理论依据,将光认定为电磁波。
07电场与磁场的大小也彼此相关
对于在真空中传播的电磁波,电场与磁场的大小满足以下关系:
\[ E=cB, \]
或等价地,
\[ \frac{E}{B}=c, \]
其中:
- \(E\) 是电场强度,单位为 \(\text{V m}^{-1}\);
- \(B\) 是磁场强度,单位为特斯拉;
- \(c\) 是真空中的光速,约为 \(3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}\)。
这告诉我们一件重要的事。
电场与磁场并不是两个碰巧并排传播、彼此独立的波。它们的大小受到同一个关系式的限制。
例题:求无线电波中的磁场
在某一瞬间,真空中一个无线电波的电场强度为 \(24.0\ \text{V m}^{-1}\)。计算同一位置、同一瞬间的磁场强度。
步骤 1
\[ E=cB \]
整理求出 \(B\):
\[ B=\frac{E}{c}. \]
步骤 2
\[ B= \frac{24.0\ \text{V m}^{-1}} {3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}} =8.00\times10^{-8}\ \text{T}. \]
步骤 3
磁场强度为
\[ B=8.00\times10^{-8}\ \text{T}. \]
与电场的数值相比,这个数值看起来非常小,但直接比较两者的数值大小会产生误导,因为 \(E\) 和 \(B\) 的单位不同。
08为什么电荷的加速运动很重要?
一个常见的简化说法是:「移动的电荷会产生电磁波。」
这个说法过于笼统。
以恒定速度移动的电荷具有电场与磁场,但单靠稳定的等速运动,并不等于持续辐射电磁波。
辐射与加速运动的电荷有关。
在发射天线中,电荷会来回振荡。由于它们的速度不断改变,因此一直处于加速状态。
这会产生随时间变化的电磁扰动,而这种扰动可以从源头向外传播。
这就是为什么交流电可以用于无线电发射器。振荡的电荷会以驱动频率产生电磁辐射。
09为什么电磁波不需要介质?
机械波涉及物质。
声波是物质中粒子的位置与压力发生扰动的结果。如果移除物质,就没有粒子可以传递声音。
因此,人们很自然地可能预测,光也需要某种看不见的物质来振动。
然而,马克士威方程式指出,情况并非如此。
电磁波中发生变化的是电场与磁场本身。因此,电磁波可以在真空中传播。
这并不代表空无一物的空间里「什么事也没有发生」。电磁场具有可测量的性质,并且能携带能量与动量。
10最容易令人误解的观念
一张常见的示意图会画出两个互相垂直、呈正弦曲线的电场与磁场。看著这张图,很容易想像出以下过程:
电场达到峰值 → 磁场开始增强 → 磁场达到峰值 → 电场又开始增强。
但平面电磁波并不是这样运作的。
在理想的正弦电磁波中,于某个特定位置,电场 \(E\) 和磁场 \(B\) 会同时降至零,也会同时达到各自的最大强度。它们是同相的。
那么,如果两个场同时达到最大值,为什么还会涉及变化的场?
因为马克士威方程式同时涉及时间与空间上的变化。
在场达到最大值时,该位置的瞬时时间变化率可以为零,但传播中波的空间结构仍然符合耦合场方程式。
因此,「一个变化的场会产生另一个场」是一种有用的入门说法,而不是逐帧描述的机械过程。
11频率、波长与波速
一旦我们将电磁辐射理解为波,就可以使用熟悉的波动关系式:
\[ v=f\lambda, \]
其中:
- \(v\) 是波速,单位为 \(\text{m s}^{-1}\);
- \(f\) 是频率,单位为赫兹;
- \(\lambda\) 是波长,单位为公尺。
在真空中,
\[ c=f\lambda. \]
由于波速固定为 \(c\),频率愈高,波长就愈短。
例题:将天线频率与波长联系起来
一台发射器产生频率为 \(100\ \text{MHz}\) 的电磁辐射。计算它在真空中的波长。
步骤 1
由于 \(1\ \text{MHz}=10^6\ \text{Hz}\),
\[ f=100\times10^6\ \text{Hz} =1.00\times10^8\ \text{Hz}. \]
步骤 2
\[ c=f\lambda. \]
整理得:
\[ \lambda=\frac{c}{f}. \]
步骤 3
\[ \lambda= \frac{3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}} {1.00\times10^8\ \text{s}^{-1}} =3.00\ \text{m}. \]
因此,波长为
\[ \lambda=3.00\ \text{m}. \]
在真空中,频率为 \(100\ \text{MHz}\) 的讯号,其波长约为三公尺。
12马克士威实际上预测了什么?
将以下三项主张区分开来会很有帮助。
| 主张 | 状态 |
|---|---|
| 变化的磁场与电场有关 | 已由电磁感应确立 |
| 变化的电场与磁场有关 | 马克士威对既有理论所作的关键补充 |
| 耦合方程式允许以 \(1/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}\) 的速度传播的波 | 马克士威理论的数学推论 |
预测的速度与实测光速一致。
后来的实验,尤其是赫兹产生并侦测无线电波的实验,为可见光以外的电磁波提供了直接的实验证据。
因此,马克士威的成就并不只是注意到光的速度很快。他的方程式将电学、磁学与光学整合在同一套理论中,并由此预测电磁波的存在。
13题目与解答
题目 1
一个电磁波在真空中传播。其电场的最大强度为 \(150\ \text{V m}^{-1}\)。
计算磁场的最大强度。
解答 1
磁场的最大强度为 \(5.00\times10^{-7}\ \text{T}\)。
对于在真空中传播的电磁波,
\[ E=cB. \]
整理得:
\[ B=\frac{E}{c}. \]
代入 \(E=150\ \text{V m}^{-1}\) 及 \(c=3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}\):
\[ B= \frac{150} {3.00\times10^8} =5.00\times10^{-7}\ \text{T}. \]
因此,
\[ B=5.00\times10^{-7}\ \text{T}. \]
一个容易犯的错误,是将 \(E\) 和 \(B\) 视为互不相关的振幅。在真空中的平面电磁波里,它们的大小受到 \(E/B=c\) 的限制。
题目 2
一名学生说:
「电磁波在真空中最终一定会消失,因为电场会消耗部分能量来产生磁场,而磁场又会消耗更多能量来重新产生电场。」
请解释这个模型为什么不正确。你的答案应同时提及马克士威方程式与能量守恒。
解答 2
这个模型不正确,因为电场与磁场是同一个传播中电磁场的相互耦合部分,而不是两个反复消耗能量来重新创造对方的系统。
马克士威方程式将 \(\vec E\) 与 \(\vec B\) 在空间及时间上的变化联系起来。在真空中,这些耦合方程式允许存在传播中的波动解。
「变化的电场产生磁场,而磁场又产生电场」这句话有助于建立直观理解,但如果将它解读成反复付出能量的过程,就会产生误导。
理想电磁波在真空中传播时,不会仅仅因为电场与磁场持续变化而失去能量。能量是由电磁场传输的。
如果电磁波与物质互相作用,能量就可能被吸收、散射,或以其他方式转移。但单纯在真空中传播,并不需要电磁波不断牺牲能量来维持自身存在。
一个容易令人误入歧途的比喻,是想像两个人来回借用同一张二十美元钞票,却仿佛每次都要支付手续费。马克士威方程式描述的并不是这种过程,而是一个彼此耦合的场结构在空间中传播。
题目 3
一个平面电磁波向东传播。在某个位置与瞬间,它的电场垂直向上。
判断磁场的方向,并解释你的判断依据。
解答 3
磁场必须水平指向北方或南方,具体取决于座标惯例;正确的方向应使 \(\vec E\times\vec B\) 指向东方。
令东方为 \(+x\)、北方为 \(+y\),向上为 \(+z\)。
电场向上,因此
\[ \vec E\parallel +z. \]
我们需要满足
\[ \vec E\times\vec B\parallel +x. \]
使用右手定则,
\[ \hat z\times(-\hat y)=\hat x. \]
因此,磁场指向南方。
所以,这三个方向彼此垂直:
- \(\vec E\):向上;
- \(\vec B\):向南;
- 传播方向:向东。
一个容易犯的错误,是只说磁场必须与电场垂直。这是必要条件,但并不足够。无论向北或向南,都与向上的方向垂直。必须利用 \(\vec E\times\vec B\) 所决定的传播方向,才能选出正确的方向。
题目 4
现在考虑两台拟议中的发射器。
发射器 A 内的电荷以正弦方式来回振荡。
发射器 B 则以某种方式,让一群电荷以恒定速度通过装置中的一段长直区域,而且每秒通过每个位置的电荷数量保持不变。
一名学生认为,两台发射器都必定会持续辐射,因为两者都涉及移动电荷,因此都会产生磁场。
评估这个论点。解释这两个系统的电磁场在本质上有何不同。
解答 4
只有发射器 A 必然具有持续产生电磁辐射所需的、随时间变化的源头行为。这名学生将磁场的存在与传播中电磁波的产生混为一谈。
在发射器 A 中,电荷会振荡。它们的速度不断改变,这代表它们正在加速。
因此,电荷与电流的分布会随时间变化。源头周围的电磁场也会随之改变,而这个变化的场有一部分可以作为电磁辐射向外传播。
发射器 B 的情况则不同。在题目所描述的理想稳定状态下,每个位置的电流都不会随时间改变。由于移动的电荷构成电流,这个系统可以具有磁场,但稳定的磁场本身并不是向外传播的电磁波。
因此,关键区别并不是
\[ \text{电荷移动} \quad \text{与} \quad \text{电荷静止}. \]
而是源头是否产生了与辐射相关、会随时间改变的电磁场结构。
这里有一个细节值得注意。在真实装置中,个别电荷在进入、离开或改变运动方向时,必然会在某些地方加速,而这些区域可能产生辐射。然而,题目指定的是一段电荷以恒定速度通过、电流保持不变的长直区域。这个稳定区域不会仅仅因为周围存在磁场,就持续产生辐射。
一个容易令人误入歧途的推理是:
\[ \text{移动电荷}\rightarrow\text{磁场}\rightarrow\text{电磁波}. \]
其中缺少的关键条件是:静态或稳定的场,并不等于传播中的扰动。电磁辐射与源头随时间变化的行为有关,尤其是加速运动的电荷。
题目 5
考虑一个在真空中沿著 \(+x\) 方向传播的理想平面电磁波。在位置 \(x=0\) 处,电场可表示为
\[ E_y=E_0\cos(\omega t). \]
一名学生观察 \(t=0\) 的瞬间,并提出以下论点:
「电场正处于最大值,所以 \(dE/dt=0\)。因此,电场并没有变化。马克士威说变化的电场会产生磁场,所以此刻磁场必定为零。」
然而,对于平面电磁波而言,在同一位置与同一时间,磁场实际上也正处于其最大强度。
请在不否定上述任何一项陈述的前提下,解决这个表面上的矛盾。解释为什么只考虑单一位置的 \(dE/dt\),无法完整呈现马克士威理论。
解答 5
这并不矛盾:当电场达到最大值时,磁场也可以同时达到最大值,因为马克士威方程式将时间与空间上的变化联系起来,而不只是考虑单一位置的 \(dE/dt\) 数值。
对于传播中的平面波,电场可以表示为
\[ E_y(x,t)=E_0\cos(kx-\omega t), \]
其中:
- \(E_0\) 是电场的最大值;
- \(k\) 是波数;
- \(x\) 是位置;
- \(\omega\) 是角频率;
- \(t\) 是时间。
与之相关的磁场与电场同相:
\[ B_z(x,t)=B_0\cos(kx-\omega t). \]
在 \(x=0\) 且 \(t=0\) 时,
\[ E_y=E_0 \]
以及
\[ B_z=B_0. \]
因此,两个场都处于各自的最大值。
同时,在那个确切事件发生的瞬间,\(E_y\) 对时间的导数确实为零:
\[ \frac{\partial E_y}{\partial t} = \omega E_0\sin(kx-\omega t), \]
因此在 \(x=0,\ t=0\) 时,
\[ \frac{\partial E_y}{\partial t}=0. \]
学生的错误在于假设,某个位置的磁场只取决于同一位置、同一瞬间的电场时间导数。
马克士威方程式是描述空间中场分布的方程式。例如,它们将场在空间中的旋度与其他场随时间的变化联系起来。因此,传播中的电磁波必须被视为横跨邻近位置的完整图样,而不是某个瞬间观察到的一支孤立箭头。
在波峰处,场的数值达到最大值,而该位置的瞬时时间变化率为零。经过一段周期后,波峰已经移动。整个空间图样在任何时刻都持续符合马克士威方程式。
这正是对「变化的电场会产生磁场」这个简化说法更深入的修正。这句话指出了正确的方向,但精确的物理描述是两个场在空间与时间上的变化彼此耦合。
一旦理解了这项区别,马克士威的预测就会显得更加有力。这套理论不仅解释了电效应与磁效应为何彼此相关,还预测了一种能够传播的电磁结构,确定了它在真空中的速度,建立了电场与磁场的大小及方向之间的关系,并为理解天线如何产生辐射,以及电磁波如何在空间中传输能量奠定了基础。