力线(Field line)与场(Field)

(Field line)与场(Field)

磁石吸铁及琥珀摩擦生电等现象早在古希腊时代就开始被研究,但要一直到18世纪,富兰克林、库伦、安培等人,研究静电之间电作用与静磁之间磁作用,才是电磁学发展的开始。当时,一位想像力丰富的实验天才,法拉第(Michael Faraday)做了一个简单的实验,在白卡纸上洒上铁粉,并在纸下放一磁极,轻敲卡纸后,铁屑在磁铁周围连成规则曲线,这样图线吸引着他,心想着”空间中真的如牛顿所说的,除产生超距力的粒子以外一无所有吗?”
力线(Field line)与场(Field)

1820年,电学发展史上不平常的一年,奥斯特(Hans Orsted)发现了电流磁效应,电与磁两种现象相关性的研究,从此揭开了序幕。电能产生磁,那磁能否产生电呢?当时许多人投入对这个问题的探索,法拉第也不例外。1826年,法拉第把一小磁针放在导线周围进行试验,发现小磁针有环绕导线运动的倾向。1831年,他又设计一实验,如图所示,当通过水银槽接通电流后,左侧磁棒的上端会绕导线下端旋转,右侧导线下端会绕磁棒上端旋转。这个电磁转动实验与奥斯特的磁针偏转实验一样,都是代表磁力有转动倾向,也让法拉第直觉地意识到环绕载流导线周围存在一种圆形的作用「线」,就像铁屑在磁棒周围所呈现的曲线。他心想,这种「线」使由于电流通过导线时,在导线周围的介质所引起的「张力」状态造成的,而磁棒也会引发这种状态,这种状态会从张力的源头(载流导线或磁棒)传播出去,法拉第把这些线称为「力线」。
力线(Field line)与场(Field)

严格来说,法拉第并不是第一个提出「力线」观念的人。在更早之前,英国人吉伯特(William Gilbert)写了第一本有系统地研究电磁现象的书「论磁」,在此书中就已经提出了「力线」之观念,说明磁性物质发出一种「力线」,其他磁性物质遇到了这「力线」便受到力之作用。

1837年,法拉第在研究介质对电力的影响时发现,用一绝缘材料(电介质)隔开的两导体板,比被真空或空气隔开的导体板,可以容纳更多的电荷,而且导体板间插入的绝缘材料不同,容纳的电荷量也不同。1845年,法拉第又有了新的发现,他将各种物质做成条状悬吊于两磁极之间,发现有些物质长条两端会指向磁铁的南北极,且有向着磁力强移动的趋势,他把这些物质称为「顺磁性体paramagnetic」;发现玻璃、铜、铋等物质,会转向与磁力线垂直的方向,且有向着磁力弱移动的趋势,称为「反磁性体diamagnetic」。他拿了手边许多东西试验后,发现只有少数物质具有顺磁性,多数物质都具有反磁性。

1851年,法拉第发表了「论磁力线」一文,他将电场磁场比拟成流体场,用力线的图像对场作了直观的描述。他说,场是由力线所组成的,许多力线组成一力管,将电性相反的电荷与极性相反的磁极连结起来,力线上任一点的切线方向即该点场的方向,力线愈密则场的强度就愈强,反之亦然。
古典力学中也有场的概念,但古典力学中的力线相对于场源是固定在场源上的,像是车子轮子上的轮辐故钉在钢圈上,轮子转动或移动时轮辐会跟着运动一样,而力线也会跟着场源运动,说明超距力(当时只有引力)的传递是不需时间的。然而,法拉第的场,却是表明力线相对于场源(即电荷或磁极)是可以运动的,其实场的传递如同水波、声波的传递一样,传递具有一定速度,故电荷或磁体之间的作用都是需要时间的,而非古典所说的瞬间发生。

法拉第用力线描述场的方法以及关于力线的特徵一直被沿用至今。
现在,物理上对「场」有更广的定义。场是一个以时空为变数的物理量,分为纯量场、向量场和张量场三种,依据场在时空中每一点的值是纯量、向量还是张量而定。例如,古典重力场是一个向量场:标示重力场在时空中每一个的值需要三个量,此即为重力场在每一点的重力场向量分量。更进一步地,在每一範畴(纯量、向量、张量)之中,场还可以分为「经典场」和「量子场」两种,依据场的值是数字或量子算符而定。
场被认为是延伸至整个空间的,但实际上,每一个已知的场在够远的距离下,都会缩减至无法量测的程度。例如,在牛顿万有引力定律里,重力场的强度是和距离平方成反比的,因此地球的重力场会随着距离很快地变得不可测得(在宇宙的尺度之下)。

参考资料:
1.维基百科–场  http://en.wikipedia.org/wiki/Field_(physics)
2.王溢然、王亮着(2001),中学物理思维方法丛书—图示与图像,凡异出版社
3.林凤生着(1998),物理故事丛书(电学的故事)—静电场中的动电性,凡异出版社