磁场竟然是电场的相对论效应

怎么理解磁场是电场的相对论效应？~

“磁”的确是“电”的相对论效应，两者本是同源。
在物理学中，有四大相互作用，分别是强力、弱力、电磁力和万有引力。

电磁力就是库仑力，电和磁的本质也都是库仑力，电力很容易理解，同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引，但是磁力理解起来，就要抽象很多。
电场力和磁力之间的差异，其实是相对论效应导致的，或者说“磁场是电场的相对论效应导致的”。
为了理解这个概念，我们试想一段平直的导线通上电流，外部放上一个正电荷：
（1）当导线相对于外部电荷没有移动时，导线内的正离子和负电子密度相等，导线对外不显电荷，于是外部电荷不受力；

（2）当导线相对于外部电荷，存在轴向相对运动时，导线中电子密度不变；但是正离子和导线是一体的，由于相对论尺缩效应，正离子密度增加，导线对外显正电，与外部正电荷产生排斥力；


可以看出，以上的第二种情况产生的排斥力，本质上就是库仑力；如果我们不看相对论效应，就会发现这个排斥力的数学描述和库仑力不同，于是把这样的力称作磁力，这就是“磁”的本质。
在中学我们知道“运动电场产生磁场，运动磁场产生电场”，也就很容易得到解释；因为存在相对运动时，才会有相对论效应，所以运动电荷才能激发磁场，反过来运动磁场才能激发电场。

相对论在接近光速时效果才明显，但是洛伦兹力的产生，并不需要很大的速度，原因是库仑力非常强，是万有引力的10^36倍。
比如1mol铁原子（56克）中，把全部电子和离子分开1米的距离，产生的库仑力高达5.6*10^22牛，相当于570亿亿吨的重力。

所以在磁场现象中，只需要一点速度，就能产生非常明显的相对论效应；麦克斯韦方程组可以描述磁场和电场，但本身是建立在经典力学之上的，如果要更精确地描述电磁场，还需要加入相对论进行修正。
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　　1、相对论的时空观要求磁力必须伴随着电力而存在，反过来，也可以说，宏观低速的世界中普遍存在的磁力正是相对论时空观正确性的一个有力的证明!通常以为，宏观低速的世界里相对论的效应都小得可以忽略，但为什么磁力又那么普遍呢?最根本的一个原因就是电力其实是极其巨大的，磁力作为电力的一个相对论的效应，尽管相对比值仍是十分微小，但绝对值却不算小，以至于我们在日常生活里都可以感受得到。
　　2、作为一种时空效应，任何其他力也都有类似的“磁力”，但就像磁力往往比电力弱得多一样，本来就很微弱的万有引力(它比电力要弱大约10^40倍!)所对应的“磁力”就更是微乎其微了。不过在极端条件下，比如高速旋转的黑洞附近，你就能感受到类似“磁力”的那种与一般的万有引力不同的力!不论黑洞转动与否，只要质量相同，距离相同，一般所说的万有引力就也会相同，并且力的方向总是通过黑洞的中心。

电场与磁场都是电荷产生的，其大小和方向都与距离电荷的远近有关，也都与电荷的大小有关，所不同的是，磁场还与电荷的运动速度有关。另外，电磁与磁场能够互相产生对方。从三维空间的观点看，两者的最大区别就是是否与速度有关。但从四维时空的观点看就不同了。去学习一下美妙的狭义相对论吧，它会告诉你电磁场是不可分割的一个东西的不同表现而已，没有本质区别，就像一个立方体，你从一个侧面正看过去是一个正方形，转一个角度就变成了两个矩形，再转一个角度还可能是三个菱形。这三种不同的二维图形是表观上的区别，而本质上那只是一个正方体——就一个东西，根本谈不上区别！

简单地说，电力与磁力的统一大致是这样的：在洛仑兹变换下，一个惯性系的静电场，在另一个惯性系看来则是大小与方向都有所改变的静电场加上一个磁场——原本没有的磁场在变换中出现了！静磁场也同样可以变换出电场来。统一的四维电磁场二阶反对称张量共16个分量，但独立分量只有6个，它们就是电场和磁场各自的3个分量。这个张量的“大小”在洛仑兹变换中保持不变，变化的是它的“方向”（因此它的各个分量会改变）。（特别建议你去学习一下四维张量——0阶张量是标量，1阶张量是矢量……m维空间的n阶张量有m^n个分量……——以及张量的基本运算。表述物理的语言是数学，表述相对论的基本数学就是张量。不精通数学而想要精确细致地理解物理，那是不可能的。）

磁常被理解为是由电衍生而来的，这在一定意义上是对的，但要注意衍生是相互的，不是单向的。最好还是站在四维时空的观点上把两者就看成一种东西，当然，对于习惯了三维事物的人来说，这很难，需要较好的想象力和较高的数学水平，而对物理的深入理解自然更是不可或缺。

产生磁场的可以是运动的电荷，也可以是变化的电场，还可以是静止的磁单极子。尽管迄今仍未发现磁单极子，但并没有理论能够完全否定其存在的可能性，相反不少理论的框架内都包含有磁单极子。

磁场其实是时空特性的必然结果，也就是说，只要爱因斯坦的狭义相对论所描述的“尺缩钟慢”效应的时空是真实的（非常多的事实已证明那确实是真的），那么在电力存在的同时就必须伴随着存在磁力。

比如，0时刻在xy坐标的(0,0)和(0,1)两处飞过两个相同质量m和相同电量q的粒子，它俩的速度都是v，方向都沿着x轴的正方向。设相对论因子为r，r=(1-vv/cc)^(-1/2)。以下带撇的量都是在与两粒子相对静止的动系中测得的量，不带撇的量是相对地面静止的静系中测得的量。动系中，原点处的那个粒子在电力作用下产生的沿y轴方向的速度u'=dy'/dt'，加速度a'=du'/dt'=d(dy'/dt')/dt'。静系中看，“尺缩”只发生在x轴方向，y轴方向没有，所以，dy=dy'；而“钟慢”则与方向无关，所以，dt=rdt'；所以，u=dy/dt=dy'/rdt'=u'/r，a=……=a'/rr。总之，从纯粹的相对论时空的运动学的观点看，静系中测得的粒子的加速度a只有动系中的a'的1/rr。若取v=0.943c，则r=3，a=a'/9。

再从动力学的观点看同样的问题，假如只有电力F而没有磁力f，那么一定会得出与上段运动学的结果相矛盾的结论。首先得知道动系中的F'与静系中的F是什么关系，这可以从物体的“尺缩效应”的类比中得出定性的结果。动系中的圆球在静系中看是一个在x方向上压扁了的椭球，类似的，动系中各向同性的电力线分布在静系中看来则是在x方向上变得稀疏、在垂直于x方向的平面方向上变得密集——静系中将看到两电荷在连线方向上的电场变强，定量分析给出：F=rF'。质量会随速度而增大——m=rm'，所以，a=F/m=(rF')/(rm')=F'/m'=a'。这与上段中a=a'/rr显然矛盾！而有了磁力f后，那两个粒子间的磁力是相互吸引的，正好可以削弱电力以保证a=a'/rr。定量分析的结果是：(F-f)=(F'-f')/r，a=(F-f)/m=[(F'-f')/r]/(rm')=(F'-f')/rrm'=a'/rr。这与运动学的结论就一致了。

综上所述，完全可以说是相对论的时空观要求磁力必须伴随着电力而存在，反过来，也可以说，宏观低速的世界中普遍存在的磁力正是相对论时空观正确性的一个有力的证明！通常以为，宏观低速的世界里相对论的效应都小得可以忽略，但为什么磁力又那么普遍呢？最根本的一个原因就是电力其实是极其巨大的，磁力作为电力的一个相对论的效应，尽管相对比值仍是十分微小，但绝对值却不算小，以至于我们在日常生活里都可以感受得到。

若q=1C，距离R=1m，则两粒子间的电力F=9*10^9N——90亿牛顿！若v=10m/s（刘翔般的速度），则两粒子间的磁力f=10^-5N——十万分之一牛顿！若v=1km/s（子弹般的速度），则两粒子间的磁力f=0.1N……巨大的电力之所以我们都没有体验，主要就是因为电荷有正负两种，一般物体总是很接近于电中性的状态。

作为一种时空效应，任何其他力也都有类似的“磁力”，但就像磁力往往比电力弱得多一样，本来就很微弱的万有引力（它比电力要弱大约10^40倍！）所对应的“磁力”就更是微乎其微了。不过在极端条件下，比如高速旋转的黑洞附近，你就能感受到类似“磁力”的那种与一般的万有引力不同的力！不论黑洞转动与否，只要质量相同，距离相同，一般所说的万有引力就也会相同，并且力的方向总是通过黑洞的中心。但是广义相对论指出，在旋转的黑洞附近，除了有上述的向心的普通引力以外，还另有一种力是垂直于上述向心引力的，常称之为“旋转黑洞附近的时空被拖曳着一道旋转”，这个力就类似于“磁力”——它不是把你往黑洞的中心拉，而是要拉着你与黑洞一起旋转，尽管你与黑洞之间并没有像你与地球表面存在着的那种摩擦力（这种摩擦力使原本与地面有相对运动的物体最终要相对地面静止）。前两年美国发射升空的那个要验证广义相对论的卫星测量的就是地球的引力的“磁力”部分。

　　磁场是电场相对论效应的直接结果。
　　狭义相对论有两个基本原理：光速不变原理（就是在任何速度匀速运动的参考系中,光速不变）和相对性原理（就是在任何惯性系中,物理定律的形式都是相同的）.
　　相对论的这两个原理不同于经典力学的时空观,因此当物体高速运动时,会产生一些可观测的奇妙的效应,例如：运动的尺缩短,运动的中变慢,运动物体质量变大,横向多普勒效应,等等.

静止的电荷产生静电场；运动的电荷产生电磁场。麦克斯韦方程是描述电磁场的完备形式，它满足洛仑兹不变的条件，也就是说和狭义相对论是一致的。也就是说，在惯性坐标系转换时，电磁场也会发生协变，这个协变关系由麦克斯韦方程和洛仑兹变换可以完全决定。这不能解释为电场产生磁场或是磁场产生电场，因为电磁场本来就是一体的。
磁铁产生的磁场需要很复杂的固体物理理论，是量子力学的磁矩概念，不要和经典力学里面的搞乱了。超导问题里的磁场，应该还没解决，不过肯定也是量子效应。请业余选手不要自寻烦恼。
如果有人发现磁单极子，那就可以证明磁场不一定需要电流产生，这个人也会得nobel奖。不过，想来只有Atlantis的Dr Mckay才有希望，呵呵。

其实很简单
相对论说：同一个物理现象在每一个参考系中取相同的形式

想象一个电荷
静止参照系下有电场
运动参照系下有磁场

但他们都是同一物理现象
（都是这个电荷对空间的影响）
所以根据相对论可以说磁场是电场的相对论效应

根据这一分析，任何磁场我们都可以用电场来解释：
先有电场，用洛仑兹变换来换个系（相对论的根本假说，等价于同一个物理现象在每一个参考系中取相同的形式这句话），就得出了磁场

为什么不说电场是磁场的相对论效应呢，历史原因和方便性。

什么无旋场，旋度，散度都是场论的东西，说电场是电磁场的无旋部分，磁场是电磁场的有旋部分是对的，但没抓住实质，实质是相对论，洛仑兹变换。

麦克斯韦方程是电磁学的规律，但他不遵守伽利略变换，于是就有了洛仑兹变换，有了它，同一个物理现象在每一个参考系中就能取相同的形式，这就是相对论的根本！！

费曼物理学讲义第一卷中有几章讲相对论的，讲的巨好，建议一定看下。

电磁我不是很了解，但是我知道永磁铁的磁场就是金属分子在高压电流下瞬间放电而产生的裂变结果，南北极存在差异，悬殊不大，可以找生产电磁铁的朋友或许可以解决这个问题，我是做强磁钕铁硼永磁体的，所以解答有悬殊。。。

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慈溪市19765287411： 为什么说磁场是电场的相对论效应 - ？
斗盼氧氟： 1、相对论的时空观要求磁力必须伴随着电力而存在,反过来,也可以说,宏观低速的世界中普遍存在的磁力正是相对论时空观正确性的一个有力的证明!通常以为,宏观低速的世界里相对论的效应都小得可以忽略,但为什么磁力又...

慈溪市19765287411： 磁场竟然是电场的相对论效应 - ？
斗盼氧氟： 电场与磁场都是电荷产生的,其大小和方向都与距离电荷的远近有关,也都与电荷的大小有关,所不同的是,磁场还与电荷的运动速度有关.另外,电磁与磁场能够互相产生对方.从三维空间的观点看,两者的最大区别就是是否与速度有关....

慈溪市19765287411： 现代理论则说明,磁力是电场力的相对论效应.怎么理解? - ？
斗盼氧氟： 首先电场和磁场是一个相对的概念,如果选择于电荷相对静止的惯性参考系作为研究对象,那么得到的结果就是只有受到电场力,没有磁场力.但是如果选择一个相对电荷运动的惯性参考系,那么得到的结果就是即具有电场力,又具有磁场力.但是由于相对论效应(长度改变),此时的电场力要比原先的电场力小,但是此时电场力和磁场力的矢量和和先前的电场力是一样的.所以我们就认为磁力是电场力的相对论效应.

慈溪市19765287411： 电与磁的本质是什么? - ？
斗盼氧氟： 电现象的本质,从电荷的角度来说,是电荷的定向移动;从能量的角度来看,是能量的转移或者转换.磁的本质是电,物理课本将其称为磁现象电本质.可以认为磁场就是电场的一种相对论效应,因为电磁量构成的四维电磁张量正好符合SR(狭义相对论)中Lorentz变换.但单从物理概念上将,电磁相互作用是自然界中存在着的四种(神秘)基本相互作用之一.自然界中一共存在四种基本的相互作用的力量,分别是强相互作用S,弱相互作用W,电磁相互作用EM,和万有引力G.电磁相互作用就是四种基本作用力之一.它们是物质.希望可以帮到你!

慈溪市19765287411： 为什么说磁力是电场力的相对论效应 - ？
斗盼氧氟： 因为在连通的电流里能产生磁场,但磁场有一定的范围,那么电流越大,磁场就越大, 所以是相对的

慈溪市19765287411： 磁力是靠什么传递的?总需要一种介质吧 - ？
斗盼氧氟：[答案] 就是磁场. 磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质,它具有波粒的辐射特性.磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的.电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质.由于磁体的磁性来源于电流,电流是...

慈溪市19765287411： 变化的电场会产生变化的磁场 为什么恒定电流周围会产生磁场? - ？
斗盼氧氟： 原因:根据麦克斯韦方程,变化的电场产生磁场.运动属于变化,所以运动的电场产生磁场.电荷周围空间存在电场,电荷运动使电场产生运动,所以运动电荷产生磁场.电流是电荷的流动,所以电流会产生磁场.而恒定电流周围就会产生恒定...

慈溪市19765287411： 为什么磁的本质是电? - ？
斗盼氧氟： 电是由电势影响电子定向移动产生的,磁是由电子的规则排列引发的.电和磁可以相互转化.电现象的本质,从电荷的角度来说,是电荷的定向移动;从能量的角度来看,是能量的转移或者转换.磁的本质是电,物理课本将其称为磁现象电本质.可以认为磁场就是电场的一种相对论效应,因为电磁量构成的四维电磁张量正好符合SR(狭义相对论)中Lorentz变换.

慈溪市19765287411： 为什么导体通入电流后产生磁场(即具有磁性)? - ？
斗盼氧氟： 电场和磁场是分不开的,振动的电场产生磁场,振动的磁场产生电场,这是物质的本身性质

慈溪市19765287411： 物理中的磁场 - ？
斗盼氧氟： 磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质,它具有波粒的辐射特性.磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的.电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质.由于磁体的磁性来源于电流,电流是...