一种特殊的物质

陈骏　朱聪

摘 要：首先介绍了电流周围有磁场，并且给出了毕奥—萨伐尔定律。然后用简单的数学探讨了磁场的能量密度。最后证实了磁场是客观存在的物质。

关键词：磁场的能量密度；磁场的能量；磁场是物质

小时候很喜欢玩磁铁，磁铁周围就有磁场。我们所赖以生存的地球上也处处充满磁场，也就是地磁场。早在春秋战国时代，我国的人们就学会了利用地磁场和磁石来指示南北方向，从而发明了司南。那么磁场看不见也摸不着，它是客观的物质还是物理中虚拟的概念呢？下面是我对磁场这种特殊物质的论述。

1820年，丹麦的物理学家奥斯特发现电流周围有磁场。毕奥和萨伐尔做了大量的实验发现，电流激发的磁场与电流大小成正比，与距离的平方成反比，方向由右手螺旋法则来判定，即：

（1）

这就是毕奥—萨伐尔定律。在有电流的附近处放置的电流元，就会受到

（2）

的安培力，也就是磁场力。如果把的电流元拿走，处还有没有物质，即处是否就变成真空了呢？很多学生是有点糊涂的，认为处的电流元拿走后该处就变成真空了，其实处是有物质的，也就是有磁场。因为处的磁场是由电流密度产生的，与的电流元没有关系，不管有没有的电流元磁场都是存在的。处的磁场用手摸不着，用眼睛也看不见，那怎么理解这种特殊的物质呢？我们就看看下面的例子。

在长度为，单位长度上绕匝线圈，内部为真空的螺线管，忽略边缘效应，当螺线管的导线中有的电流时，螺线管中的磁场可以用安培环路定理求得。由可知。此时螺线管颞部储存了多少磁能呢？由于螺线管的电感

（3）

这时磁能为

（4）

螺线管内的磁场是均匀的，储存了的总磁能，而螺线管内除了磁场又没有其他的物质，因此磁场的能量只能分布在磁场上面，也就是磁场具有的能量密度。怎样理解呢？就是考虑一升的容器，盛米可以装大约2千克，所以米是客观存在的物质；用这样的容器盛水，恰好可以装1千克，水当然也是实际存在的物质；如果用此容器盛看不见也摸不着的空气，则可以装1.29克，没有人会认为空气仅仅是物理概念，因此空气也是物质；如果用来盛106特斯拉的磁场，那就是3.8×1017焦耳的磁场，相当于4.42千克的磁场。由此可见磁场也是实实在在的物质，虽然磁场这种物质没有办法用感官直接去感知，也没办法直接去体验，但是可以用仪器来测量。在磁场中放置一小磁针还可以指示磁场的方向，找到小磁针所在的位置是否存在磁场这种物质，指南针也是利用地球的磁场这种物质来指示南北方向的。

综上所述，磁场强的地方磁场的能量密度就大，相应包含的磁场这种物质就多；反之则少。所以磁场是无法感知且客观存在的物质，其实我们人类也时刻处在大约1高斯的地磁场当中，我们的祖先也是巧妙地利用了地磁场这种特殊的物质而发明司南的。

参考文献：

[1]梁灿彬.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2013：5.

[2]郭硕鸿.电动力学[M].北京：高等教育出版社，2013：160.

[3]蔡圣善.经典电动力学[M].上海：复旦大学出版社，2011：52.

（作者单位：陈骏/凯里学院物理与电子工程学院；朱聪/凯里学院图书馆）