这两门关于电与磁的学问,无法用经典麦克斯韦方程组描述。经典麦克斯韦方程组并不能很好描述存在“磁电效应”的介质与磁电交互关联的行为,由此“磁电学”这一新兴领域诞生。而当研究涉及到电荷调控,这显然属于量子力学范畴,经典麦克斯韦方程更无能力为。如今,对于电荷和自旋输运行为调控和利用的研究,也形成了一门新的领域——磁电子学。
电磁学与磁电学是一回事吗?不是的。磁电学与磁电子学是一回事吗?也不是。
电磁学是研究宏观电磁现象以及电与磁交互关联的物理学分支学科。众所周知,电磁学的精髓可以用麦克斯韦方程组来概括:其中的电场和磁场是根据电荷受力(库仑力和洛伦兹力)来定义的场。第一个方程描述了静电场的特征——静电场是有源场,来源于电荷;第二个方程描述了静磁场的特征——静磁场是无源场,散度为零;第三个和第四个方程描述了电场和磁场的关联——变化的磁场可以产生电场,电流或变化的电场可以产生磁场。
以上是真空中的麦克斯韦方程组,当存在非真空的介质时,麦克斯韦方程组需要改写。为了描述介质中的电磁现象,人们定义了一些物理量:电极化强度,电位移矢量,磁化强度,磁感应强度。由此,可以得到介质中的麦克斯韦方程组。
那么,既然有诸多不适用的情况,麦克斯韦方程组需要被改写吗?为了完整地描述一个介质对外加电场和磁场的响应,我们需要定义一系列系数。在非各向同性的介质中,这些系数都是二阶张量。相应地,磁电耦合系数也是一个二阶张量。在实际的测量中,磁电耦合电场(电压)系数最容易测量,只需在介质上施加一个磁场,测量在介质两端产生的电压。由此,人们常常用磁电耦合电场(电压)系数来衡量一个材料的磁电耦合强度。
因此,笔者认为,对麦克斯韦方程组进行改写并无太大意义。在大学物理《电磁学》和《电动力学》课程中,只讲授经典麦克斯韦方程组已足矣。在实际的科学研究和工程应用中,人们只需在麦克斯韦方程组的基础上,额外考虑特殊介质中特定效应带来的新问题。
电磁学是人类对自然界中宏观电磁现象的归纳和总结,磁电学和磁电子学是对经典电磁学的补充,体现了人类进一步认识自然和改造自然的能力。通过有意识地设计制备新材料、新结构、新器件,使得天然介质中原本微不足道的物理效应得以被呈现、放大和利用,磁电学和磁电子学正在为人类文明带来新知识、新原理、新技术和新应用。