最近,在本论坛展开了一场激烈的争论。朱顶余和王普霖先生就安培力方向和牛顿第三定律问题各执一词,唇枪舌剑,互不相让,至今难分胜负。朱先生用他那聪明绝顶还有余的头脑首创“牛顿第三定律不成立”的违例,并因此激动不已;而王先生虽然知识渊博、经验丰富,可这次却也打破常规,认为出现了安培力方向与导体不垂直的情况。在这场论战中,笔者也难免被卷入其中,结果被忽悠的是晕头转向,失去了自我。在这种情况下,笔者不得不静下心来,痛定思痛,终于慢慢走出迷局,弄清了事情的本质。 事实上,在朱先生特此设计的空心球面上,两个端点间的电流根本不可能均匀分布。因为球内导线AB的中间部分偏离了直径位置,球面上各经线方向的电流都与之有相互排斥的作用,并在可能的情况下,偏移到最远的经线上(且同向电流相互吸引),从而实现电路包围面积的最大化。因此朱先生设计的立体电路实质上是一个左边横V形、右边半圆形的闭合电路。该电路上共有三个安培力:朝左上方的力、朝左下方的力,水平向右的力。这三个力相互平衡,整个电路所受的合力为零。 左边V形电路及它的两个边AC、BC都可以拿出来进行受力分析。其中每个边的安培力都与导体相垂直,每个边的左端都受竖直方向的约束力,右端则都受水平向右的拉力。每个边在三力作用下都能够达到平衡状态;整个V形电路在两个安培力和右向拉力作用下也能够达到平衡状态。 但是独立的V形电路在现实中是不可能存在的,因为它无法形成持续的电流,因此也就不存在安培力的方向问题。如果非要假设它内部通有电流并判断安培力的方向,那就必然出现无法克服的矛盾:一方面是朱先生坚持的“安培力与导线垂直,牛顿第三定律出现了违例”;另一方面就是王先生坚持的“牛顿第三定律正确无疑,安培力与导体出现了不垂直的情况”。然而现实中真实存在的一切都是不矛盾的。所以我们之间的争论就变成了一场闹剧。採住人家的辫子打了一顿,可仔细一看竟然是个和尚。 在任何电路(包括网络)中,每一边所受的安培力都是由剩余的其它边共同决定的;反过来,每一边也都对其它边施加着反作用力。所有边的安培力之和应该为零。只拿出其中的一部分进行受力分析,这是一种常用的“隔离”法,但不能忽略其它部分的作用。分析被隔离物体的受力,一旦有了遗漏,那就无法实现力的平衡。 任何两个电流元间的相互作用都不是直接的相互作用,而是通过磁场施加的,因此在一般情况下两力不存在相等的关系。只有电流元和附近磁场的直接相互作用力才是永远相等的。 两个电流元,只有在相距不太远(因为力的传播需要时间),没有绝对运动(防止电流周围的磁场分布不均匀),电流方向都与连线垂直(防止出现横向分力)的情况下,相互作用的安培力才能相等。 然而,由无数电流元组成的任何闭合电路,却能通过磁场的叠加,让所有电流元的安培力都能够相互平衡。虽然从理论上难以证明这个,但我们相信这一论断的正确性。 安培力的方向在任何情况下都与导体相垂直。其原因不仅是因为“电流所受的磁场力总与电流相垂直,而电流只能在导体中流动”,还因为电是一种可以流动的物质。电荷所受的力其中方向与导体一致的分力将改变电流的大小,所以只有与导体垂直的那个分力才能作用到导体上,形成外在的安培力。这就像容器中的水对器壁的作用力只有垂直压力一样。 在安培力的作用下,每个电流都有兼并同向电流、排斥异向电流的意图。由软导线构成的单孔电路在自由状态下将呈正圆形,并在可能的范围内达到面积最大。每段软导线在通电后都有变直的趋势。在有约束的情况下,安培力还会对约束物产生反抗作用。 约束物可能是周围的绝缘体,但也可能是导体本身。由电流、磁场、导体、绝缘体组成的电磁系统,其内部有着复杂的力学关系。但不管怎样,牛顿第三定律仍然是成立的。作用力和反作用力总是成对出现,性质相同。所有内力的总和一定为零。整体不可能受到任何内力的作用,其质心不会产生任何加速度。 但是整体的内力平衡,并不意味着其内部的各部分电路的受力也都平衡,所以它们很可能发生相对质心的移动,引起局部或整体的变形,直到受力达到平衡为止。 任意闭合电路,所有的安培力之和都一定为零。但如果把它分为两部分,那么两部分的合安培力将是一对作用和反作用力。但对其中每部分电路来说,只有一个合安培力是不可能平衡的,因此必须借助于两个端面上的约束力和约束力矩才能达到平衡。 即便所有的安培力能够相互平衡,所有的约束力也能够相互平衡,但约束力系也仍然是必需的。例如环形电路就是这样,不然它就会无限膨胀。它需要约束力进行限制。 朱先生的V形电路,如果再加上一个反向的V形电路,那么就构成了一个对称的菱形闭合电路。其中四个边上的安培力都靠近顶角小的一侧,彼此相互平衡的。 但如果把菱形电路绕较短的对角线弯折一下,那么就构成了一个立体电路,形成空间力系。此时四个安培力将向折轴方向移动并绕着导体转动,到达新的平衡位置。其特征是:四个力仍然共平面,并仍与各自的导体相垂直。 而当四个顶角都相等时,那么这个电路就变成了完全对称的了,四个力的作用点将在各自导体的中点上。 即便是立体电路中的空间力系,它也应该同样遵从经典的静力平衡规律。 综上所述,笔者认为:直接的作用和反作用力将永远相等,安培力与导体将永远垂直,两者没有丝毫的矛盾。朱先生和王先生的争论至此可以休矣,两人都是对错参半。虽然两位先生都是智者千虑,但终究难免一失。希望我的话没有伤害他们。 经典物理学内容已经相当完善,在电磁学领域目前也还没有真正违背经典力学规律的事例。至于以后怎样我不敢随便乱说,但对任何新发现的情况我们都必须慎之又慎,应该首先考虑是不是我们自己错了,然后再怀疑传统的理论体系才是。 |