磁场的本质
电子在得到能量时,身上就粘上了正电荷,于是就加速向上。
在电子加速器中也是这样,真空中的场物质被电场极化出正负交替的排列。电子带有负电,同时还沾上了光子(正电),所以电子也被极化了,在电场正极方向极化出负,在电场负极方向极化出正。由于总带电为负,因此电子朝正极加速。加速的过程,极化端的负极不断吞食被极化的场物质中正极性的物质(光子),因此,随着加速,电子变得越来越大,电负性进一步减少。因此越加速,电子电性越小,造成加速困难。
因为电子是负电荷,平时身上也沾有光子。也就是说,电子能量越大,沾的光子越多。这样的电子在电场中就能够被极化成电偶极子。 当电子在导线中,没有受到外电场时,电子虽然带正电荷(光子),由于被负电中和,不显示出电偶极子的性质。
当在导线两端加上电场时,导体中的电子被外电场极化,并开始运动。极化的结果使电子出现电偶极子的特征。所有被极化的电子,形成有序的、正负交替的、首尾相吸的排列。这种排列使得原来中性的导体,出现了整体的电偶极子有序群。这个电偶极子就对外有了作用。这个作用就是磁性。
当两根通有同方向电流的导线彼此平行放置时,各自导线中的电偶极子前进速度一致,并且相互与对方的电偶极子首尾相吸,形成吸引。
当两根通有反方向电流的导线彼此平行放置时,各自导线中的电偶极子前进速度相反,并且相互与对方的电偶极子首尾相斥,形成排斥。
这就是平行通电导体受力的根本原因。
磁场不是一种别的场,它是电偶极子之间的静电力形成的场。电流形成磁场的根本在于使整体电中性的导体内部出现了规则排列的电偶极子。不同电流方向的导体中有不同方向的电偶极子。因此形成相斥或相吸。
那么平行导体受力的大小就和各自电流的乘积的大小成正比了,这也是静电力使然。相斥和相吸取决于电流方向,也就是电偶极子的集体极化方向,而大小只取决于电流。
磁场是电偶极子产生的静电力。受力方向前面已经说了,现在就电流大小和力的关系作进一步说明。因为电偶极子是均匀产生于导体之中,电偶极矩正比于电流,那么可认为是电量随电流成正比的均匀带电线。这个例子有现成的:
无限长带电线单位长度上的受力为
F=λ^2/2πε0d,
其中 λ为带电线的线密度
大家看,这和我前面推导的公式一样
λ^2/2πε0d=(I^2/c^2)/2πε0d
=μ0I^2/2πd
大家看,这不就是平行导线的通电的受力公式吗?
在这里,不仅揭示了磁场的秘密,也完全诠释了介电常数和磁导率的物理本质。它们就是不同的写法,其实就是一个东西。
磁场对物体的磁化
当具有磁场的物体,如通电导线,接近一个中性物体,导线中的电偶极子会极化这个物体表面的电子,使之也成为电偶极子,这时感应出的电偶极子继续会对下一个电子极化,这就是磁场的传导过程。
当这个磁体是通电线圈时,产生的磁场也是环形的。即线圈内电偶极子彼此排列,首尾相吸,构成蜗旋。那么在这个磁场下,中性物体也会感应出蜗旋磁场,也是环形极化。
这里的中性物体是顺磁物质或铁磁物质。
一个铁块,放入环形线圈内,当磁化时,也是最靠近导线的电子被极化,逐步向中心扩散、向两边扩散。因为每个电子都有质量,以及极化需要能量,因此,铁块内的电子没有极化完全时,这个能量就依然由线圈提供,线圈中的电子就不能达到最大极化,导线中的电子就表现出了极大的惯性。这就是自感,
铁磁物质从线圈的极化中吸收了大量能量,以极化势能的形式储存于铁块内。这就是磁场储能。也只有当铁块中所有能极化的电子都被极化完毕后,线圈的电感才能消失,电流才能达到最大。
铁心质量越大,需要极化的电子越多,因此电感也越大。
当线圈中的激励电流消失后,比如短掉电源或减小电流,这时铁块中已经被极化的电子要退极化,又反过来对线圈中的电子进行极化,因此线圈中又产生感应电动势。这就是楞次定律。
电场是电荷宏观上的相互作用,包括电荷之间的吸引、带电体的吸引、电压源产生的电场等。而电偶极子是电荷自身的极化,它表现出的位移很小,是一种非常微弱的静电力。这种微弱的、电偶极子的静电力,和构成万有引力的力致极化所产生的极化是一样的,就是只能也对电偶极子进行作用。一块被极化的物质,总体上依然不显电性,因为正、负电荷数量还是相等的。但是微观方面,已经可以和其他物体的微观方面产生作用了。磁场因此是微静电场,它是细微的场。
本质上,磁场和万有引力场一样,它们之间的区别是:
磁场通常是蜗旋的(但不是一定是蜗旋的),因为磁场的产生一般是通电线圈所致,永久磁铁也是一样。而万有引力是发散的。
磁场作用主要体现在是并排平行的,平行导线、平行线圈,它们之中的电偶极子是并排首尾作用;而万有引力作用主要体现在极化的竖直方向的电偶极子首尾相吸。在地球上,只有两个相互靠近的物体之间的水平力才是磁场力。
通电导线产生电偶极子才产生磁场,这个电偶极子当电源断掉时,又恢复了重合,磁场就消失了。对独立的电荷来说,比如一个点电荷,在没有电场的环境下(实际不存在这种场合,只是理想化)匀速运动,这个点电荷既不会产生力致极化,也不会产生电致极化,因此点电荷周围只存在静电场,不存在磁场,虽然磁场也是电场的一种。因此,教科书中所有关于电荷匀速运动或带电体匀速运动周围产生磁场的说法都是错误的。磁场电场必出两个源,即电偶极子源,而静电场可只出于一个源。所以B=V叉乘E存在一定问题,特别是对单独点电荷的电场。
一段环形激励线圈的电流作用在一根铁磁物质上,比如在一个铁棒的中央,磁化从中间开始,因为这个位置铁心距离导线中的电偶极子最近,远处的两端由于距离线圈远,受到的极化力也小,极化相对缓慢。中段的铁心由外皮处最先得到极化,往中间极化出环形的首尾相连的电偶极子环,从端面上看,一端的是顺时针,另一端是反时针,于是就出现了N极和S极。
把两个磁铁的不同极性端面相对时,由于旋转方向一致,它们就相吸;把两个磁铁的相同极性端面相对时,由于旋转方向相反,它们就相斥。因此电偶极子顺向排列就相吸,反向排列就相斥。
刚才说到中间先磁化,那些断面上的电子逐渐极化起来的同时,也在向两端扩展极化成果,于是就形成了磁场的方向和电流方向垂直的现象。再结合异性极相吸,人们就认为磁场由N极出发到达S,实际上不是这样的,磁场是同时由中间向两端扩展的。比如这段铁棒是环形的,那么最后磁化到的点就是线圈位置的对面。因此,磁场传播并不是转圈的环流,而是一种向两端的扩展。当在不同位置上套上检测线圈,会发现最远的位置感应出的电压信号延迟最大。
对于库仑定律的相关理解
两个中性物体,相距一定距离,因为各自都不显电性,它们之间没有相互作用。 那么要说它们各自不带电对不对?过去的说法是它们电中和了,其实这是根本错误的。正电荷和负电荷不会中和,只有重合。正负电荷重合的原子,对周围其它原子没什么力,单原子气体原子就是这样。
当把两个物体分别极化后,这些彼此重合的电荷分开了一个距离,因此对外就显示了电的作用,就有力产生了。
两个并排放在光滑平面上的物体,它们彼此之间仅仅有万有引力的并行部分的磁力(竖直方向的作用是重力),非常微弱。但把它们在平面上并排加速起来,力致极化使它们之间就产生了比较大的磁力,它们之间的力会加大,互相吸引。
如果两个物体并没有加速,而是匀速并排运行,比如水中的船呢?船的外形是中间的宽,那么它们在水上并排匀速行驶,中间两船舷之间的水流流速就加大了,这时水产生了加速度。加速度使水产生力致极化,这个极化继续极化船舷,于是两船之间也产生了磁场,于是互相吸引。自然界这种现象过去并不能给出精确解释,因为它是违反常理的。
我在光速定律一文中,根据圆柱体得到了
λ=Φ/c
又得到了λ=I/c
使用μ0ε0cc=1
进而得到了λ^2/2πε0d=(I^2/c^2)/2πε0d=μ0I^2/2πd
我又在本贴中从均匀带静电的线体之间的库仑力,验证了平行通电直导线间的力是同一种力,大小也是相等的。又一次使用了μ0ε0cc=1这个关系。
因此阐明了磁场就是电偶极子的电场。也知道了cc的来源。
μ0和ε0是不同公式写法的中的不同表达形式,是本质无区别的。
因为无论是平行通电导线还是平行均匀带电线,它们的受力公式都可以表达成一个公式,并可以有多种写法。
μ0I^2/2πd=λ^2/2πε0d也可以写成I^2/2ε0ccπd=μ0ccλ^2/2πd
完全一样。
在涉及静电时使用ε0,为了和相对介电常数相乘。涉及电流和磁场时使用μ0,便于和相对磁导率相乘。
当初定义真空介电常数和真空磁导率的人并没有想到这一层,并没有想到这两个常数有这样一个关系。只是要用到了μ0ε0cc=1这个关系时,才意识到它们存在互为倒数的关系,但没人理解。因为没有人认为磁场是静电场。也没有人认为光子流就是电流。λ=I/c就是表明圆柱体内的光子(正电荷)密度、光速和光子流(正电流)之间关系的重要的一个关键,这个关键是我发现的。这个发现的意义是天大的。
电流产生同方向磁场,同方向磁场又感应出同方向电流,这才是电磁的本质,电场和磁场的关系不是垂直的关系,而是平行的关系。
因为磁场是导线中电偶极子造成的,所以它的磁场方向是和电流是平行的,就是说,环绕导线四周产生的磁场,并不是按右手法则存在那样的旋转,不存在!平行于这个通电导线的任何导线,其中的电子都能被通电导线的电偶极子所极化,并能在导线上感应出电动势。而垂直于通电导线的导线则不能感应出电动势。两条互相垂直的通电导线也不能产生力的关系。
教科书中关于平行导线受力的解释是,电流产生磁场,磁场再对电流产生力是完全错误的。导线之间的力,就是导线中的所有电偶极子对另一导线中所有电偶极子的力,是直接的,而不是间接的。
电流和磁场并不是叉来叉去的关系。
因此,电场和磁场也不存在叉乘的关系。磁场的方向始终是和电流方向平行的。
两个绕组套在变压器铁心上,初级电流,也就是初级的电偶极子流,极化铁心,使铁心中各磁畴按初级电流旋转方向极化。前面说过,这个旋转极化向两边扩展,直到整个铁心都出现了同方向旋转极化。这时绕在铁心上的次级线圈感受到这个旋转,导线中的电子也跟着被铁心所极化并跟随旋转,于是次级就出现了电流。初级和次级之间的这种感应,是初级电流通过铁心间接的和次级的耦合。但本质上电偶极子都是平行作用的。磁场沿铁心扩展也是平行作用。这就是说极化方向相同。
在北京有一架无线电发射天线水平放置,和南京的方向垂直,那么在南京,一架接收天线也必须水平放置,向北京方向垂直,才能得到最佳接收效果。这就是极化方向相同。
所谓的与电流垂直的磁场并不存在,存在的只有和电流平行的磁场。