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对电磁理论的重新考察（之一）
在几个月前写的“洛伦兹力到底做功不做功？”一文中，笔者提出了非常基础性的问题：感生电动势的产生原因之中，“涡旋电场和洛伦兹力两者的本质是不是一样呢？若它们的本质不一样，那么，它们两个哪个更为基本呢？” 为了本文的完整性，也为了本文的读者能更清楚地了解思路的来龙去脉，还是多用点笔墨，先回顾一下“洛伦兹力到底做功不做功？”一文中的相关片段吧： 》》》通过电磁感应现象的四个演示实验，可以得到“法拉第定律”和“楞次定律”。这四个演示实验分别是（1）插入或拔出磁棒；（2）插入或拔出载流线圈；（3）导线作切割磁感应线的运动；（4）接通或断开初级线圈的电流（参考《电磁学》P457~P460赵凯华、陈熙谋著 高等教育出版社 1985年6月第二版 1989年2月第四次印刷）。经过认真地考察，笔者认为前三个实验里所产生的电动势都可以归为动生电动势，而要把第四个实验归为动生电动势，实在太勉强，而把第三个实验归为感生电动势也很不妥当。这正应验了如下论断：“应当指出，上面我们把感应电动势分成动生的和感生的两种，这种分法在一定程度上只有相对意义。”（《电磁学》P487）“然而，我们也必须看到，坐标变换只能在一定程度上消除动生和感生电动势的界限。在普遍情况下不可能通过坐标变换把感生电动势完全归结为动生电动势，反之亦然。”（《电磁学》P488）。那么，在实验四所给出的情形里，非静电力是什么呢？是涡旋电场（意即：不是洛伦兹力）。正如《电磁学》一书中的论述：“麦克斯韦分析了一些电磁感应现象之后，敏锐地感觉到感生电动势现象预示着有关电磁场的新效应。他相信即使不存在导体回路，变化的磁场在其周围也会激发一种电场，叫做感应电场或涡旋电场。。。。。。”。 》》》不可归结为动生电动势即不可归结为洛伦兹力的感生电动势，其非静电力是涡旋电场，那么涡旋电场和洛伦兹力两者的本质是不是一样呢？若它们的本质不一样，那么，它们两个哪个更为基本呢？这虽不是本文研究的主题，但在这里提出这个问题是没什么不妥的，因为在笔者看来，到目前为止，物理学并没有关注这个问题，也没有解决这个问题，而这个问题是颇为重大和基础的。 上面两段引自“洛伦兹力到底做功还是不做功？”一文。文中提出的问题之所以很重要，是因为它追问物理过程的本质，它还将涉及电磁波究竟是如何传播的等物理过程的生动的图象。 经过近来的反复的考察和思考，笔者得出了新结论：即便在普遍的情况下，感生电动势（涡旋电场）的本质也还是动生电动势。下面开始我们的考察和证明，在这个考察和证明过程之中，我们还会有其他的重要收获，我们还会进一步看到麦克斯韦方程组中关于“变化的磁场产生涡旋电场”方程的物理实质。 一：“无中生有”与“化有为无” 取一根直导线，若其中不通电流，那么它周围就不产生磁场；若通电流，则在其周围产生磁场。因此，直流导线周围的磁场是产生的，不是原来就有的（原来什么也没有），所以说这个磁场是“无中生有”。反之，则会“化有为无”。 二：看不见的磁力线的运动 长直导线没通电流时，在距离导线的无限远处（意指垂直于导线的面上离导线很远很远的点，不作数学上的无限讲）是没有磁力线的；一旦通了电流，无限远处就有了磁力线。那么这无限远处的磁力线是跟导线中的电流“同时”（ 本文所讲的“同时”，按“同时性的瞬时信号定义”来理解，参看“论相对论的荒谬性”一文）产生的呢，还是先有电流，这电流产生的磁力线以一定的速度传播到那个无限远处了呢？ 这个问题，目前的物理学理论并没有直接涉及，自然也没有正面直接给予回答。按目前的物理学理论，比较合理且协调的的答案应该是：先有电流，这电流产生的磁力线以光速C传播到了那个无限远处（------------------------或许这个速度会很大，甚至会比光速C大很多倍也说不定，只是目前还没什么办法给予测量）。进一步的，我们会得到如下的图象：随着电流的连续不断地增大，这些我们看不见的运动着的磁力线切割相对于导线静止（或低速运动的）物体，从而洛伦兹力起作用，使被切割的物体里产生动生电动势（感应电动势），这电动势跟直流导线中的电压的方向相反--------------也可以这样说，运动着的磁力线传播了作用力和能量。反之，若我们断开线路，这些磁力线会快速向直流导线收缩且切割相对于导线静止（或低速运动的）物体，也会使被切割的物体产生相反方向的动生电动势。这个推论是可以通过实验检验的。实验设想如下： 取一塑料小球，用一细长线吊在一根长直导线旁边，使小球带上电荷（为了确保实验效果，设法使细长线也带同号电荷）。根据上面的理论推想，在电流由小到大的建立过程中， 小球（设小球及导线带正电荷）会向逆着电流的方向偏斜；若断开电源开关，则小球会向顺着电流的方向偏斜。 虽然目前还没有人直接进行这个实验，也没有直接的实验结果，但笔者认为，这个实验无疑是应该成立的（为了下文叙述的方便，这里不妨称之为YSG实验）。之所以这样看，除了下面关于磁力线在运动的理论证明之外，事实上已经有了很类似的实验，在我看来，这个已经存在的实验与上面设想的实验在本质上是一回事。这个已经存在的实验在《电磁学》P834之思考题4中得到了描述（原题意在于让学生用电磁场的能流密度与动量等知识来回答问题，但同样的实验，我们完全可以从另一个角度来看的，在我看来，切断线圈的电流时，磁力线会向线圈收缩，切割带正电的金属小球，产生洛伦兹力并使圆盘转动起来）： “如图所示，在可无摩擦自由转动的塑料圆盘的中部有一个通电线圈，电流的方向如图所示。在圆盘的边缘镶有一些金属小球，小球均带正电。切断线圈的电流，圆盘是否会转动起来？转动的方向如何？转动的角动量是哪里来的？”（注：图略） 三 看不见的磁力线在运动的理论证明及涡旋电场产生过程的物理本质。 这里所谓的理论证明当然不是大家通常所理解的那种理论证明，因为目前的理论是建立在实验基础上的，而目前已有的理论的建立对于实验的分析和物理过程实质的把握还显得重视不 够，它们数学味儿更浓厚些而不是物理味儿更浓厚些，因此其中的工具不便于使用。例如，我们不可能用麦克斯韦方程组来证明，因为麦克斯韦本人对涡旋电场的实质似乎还没有看清（据我目前的了解）；有些理论甚至是根本错误的（例如我认为相对论就是错误的，我自然不会用它去进行什么理论证明）。 这里的所谓的理论证明是依据目前的理论（如麦克斯韦方程组）所依据和认同的磁力线、磁通量、磁通量的变化会引起涡旋电场等概念来进行，具体地是用这些概念具体分析大家熟知的电磁实验，从而证明磁力线确实在运动。如下： 让我们取一个线圈，再在这线圈的轴线上放置一闭和的金属导线环，导线环轴线与线圈轴线重合，导线环面与线圈不相交（即：使之不套住线圈）。 当线圈中没有电流时，导线环中的磁通量为0。当线圈中通了一定的电流后，导线环中磁通量变大，从而产生涡旋电场和涡旋电流---------------目前的理论是这么说的。现在让我们把线圈中的电流再增大一点，我们会发现导线环中的磁通量也变大了！导线环中的磁通量变大是什么意思呢？就是说它包围的那个面积中的磁力线增多了，那么其中的磁力线是如何增多的呢？是直接穿过了那个面积还是由导线环外移进导线环内的呢？必须注意到磁力线的闭和性质，即注意到每根磁力线是个完整不断的环，必须注意新增的磁力线环的“发源地”是电流逐渐变大的线圈，由此我们应该同意新增加的磁力线环是切割了导线环后才和导线环套在一起的。-------------在这个例子中，涡旋电场、涡旋电流（涡旋电动势）产生的原因，表面上看来是磁通量的变化，其实质是看不见的磁力线在运动，物理本质是洛伦兹力在起作用。在这里，磁力线的运动是隐性和隐形的，不太容易被发现！ 由上面的情形，我们还会有进一步的推论：（1）假如真空中真的一无所有（即没有任何具有一定的机械结构、具有一定质量、具有一定电磁结构的实物粒子）的话，那么，只会有磁力线的传播（相对于磁力线发源地通电线圈运动），而不会在真空中产生任何涡旋电场（涡旋电动势）；（2）若“真空不空”（存在“以太”），那么，即便没有导体回路，在真空中也一样会有涡旋电动势（涡旋电场）；（3）电磁波能在真空中传播的事实，既不能说明真空中存在介质“以太”，也不能说明真空中一无所有。 普遍地，我们可以得到电磁波在真空中传播的图象：真空中若有“以太”，电磁波在以太中会有涡旋电场和涡旋磁场相互激发的情况；若无“以太”，电磁波在真空中只能以磁力线运动的方式传播，不会有涡旋电场和涡旋磁场相互激发的情况。 四 一切磁通量变化而引起的涡旋电动势（涡旋电场）的物理本质都是洛伦兹力在起作用。 这个结论在上面的例子里是成立的。那么，如果让导线环和线圈相交，即套住又如何呢？结论是肯定的。 首先，考虑导线环直径比线圈直径大的情况（即导线环套住线圈）。在这个情形里，传统电磁学理论认为导线环中之所以产生涡旋电动势，是由它包围的面积中的磁通量增大所引起的，本文认为，其物理实质不是如此。事实是，当线圈中电流增大时，磁力线由线圈生出并向它周围的空间“扩散”开去，从而切割导线环，这时洛伦兹力起作用并产生涡旋电动势。 其次，对于导线环比线圈直径小的情况也是如此，这里不再再赘述。 第三，对于两个线圈互感的情况，本文认为其实质同上，这里也不赘述。 第四，考虑自感的情形。 首先考虑只有一匝线圈（相当于导线环）的情况，这种情况与直导线的情况区别不大。这里不再赘述。 其次考虑任意多匝线圈的情形。为此，我们先考察只有两匝线圈的情形，在这种情形下，下面的那匝产生的磁力线切割上面的那匝，上面的那匝产生的磁力线切割下面的那匝， 都是洛伦兹力在起作用，从而产生阻止电流增大的自感电动势。当电流减小时，其过程相反。对于有三匝线圈的情形，情况也是一样，只是当考察两边的两匝对中间的那匝产生的影响时，若分别以上下两匝线圈产生的运动着磁力线为参照系来观察，好象中间的那匝既象上运动着又好象又向下运动着，这的确很有趣，这都是上下两匝产生的隐形的磁力线运动的缘故，而它们的贡献在方向上也是一致的，即阻止电流的增大或减小的趋势。对于任意多匝的情形可以类推，不再赘述。 五：YSG实验的意义 上面所描述的所谓YSG实验是没有直接得到实验证实的，但本文通过理论分析，认为它应该成立，因此这个实验目前还只是个逻辑的存在物。 1：从纯理论角度来看，目前的电磁理论只告诉我们静止的电荷之间通过电场有相互作用，告诉我们运动的电荷之间通过磁场有相互作用，以及麦克斯韦方程组告诉我们会有电磁波存在，而电磁波的反射和折射等会对电荷（物质）有作用。后者并没有象奥斯忒实验明确告诉我们电流会对小磁针产生作用那样明确告诉我们加速运动的电荷会对它四周的电荷有作用，即便麦克斯韦电磁波理论告诉我们会有这个效果，它的图象跟YSG实验所给出的物理图象也还是有质的区别，毕竟麦克斯韦所说的电磁波以及人们通常所理解的电磁波都是指的高频电磁波。至今，笔者并没有看到任何类似于YSG实验对电磁作用（或电磁波）的理解。 2：对于如何看待和分析实验结果有重要的意义。众所周知，粒子加速器加速电子时会有个速度极限，这个结果，在相对论看来，是因为速度越高，粒子的惯性质量会越大的缘故。用YSG实验来看，则完全是另一回事：粒子被加速时，它向空间辐射磁力线、对四周的物质（由正负电荷所组成）有作用并把相当一部分的能量传给了它们，被加速的粒子只吸收了一部分的输入能量来获得动能的增加-------------这个意思跟“加速运动的电荷会发射电磁波”一样，不明白的是，为什么没人把这个结论用于分析粒子加速器中的实验现象？ 3 工程技术上的意义。据了解，目前信号的长线传输及计算机中的总线等都非常的讲究。比如，在印制版布线时，考虑高频信号的相互影响时就采取了一些措施，诸如：尽量减小线的长度，在相临的信号线间加地线隔离等措施。根据YSG实验，我们完全可以采用一种新的补偿和抗干扰方案：在每根需要特别关照的信号线的两旁加两根补偿线（或者也可叫良性互助线），再在此基础上用地线将信号线隔开；当信号线发“1”信号时，相应的补偿线同时发“0”信号，反之相应的补偿线同时发“1”信号------------如此可以使信号线和补偿线间的相互感应变成一种有益的互动。 这种方案的麻烦之处在于：必须生成补偿信号（对信号取反），且要求信号和补偿信号同时发出；此外，它还以牺牲体积为代价。 2000/7/28。 老鹤。 转自 我是中国人[ysg.xilubbs.com] |