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拨开笼罩在电磁学领域上空的层层迷雾
[楼主] 作者:马国梁  发表时间:2015/04/27 10:53
点击:1754次


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ACBC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。

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 [2楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/04/27 11:33 

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 [3楼]  作者:wqqw7758521  发表时间: 2015/04/27 12:22 

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 [4楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/04/27 13:31 

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[楼主]  [5楼]  作者:马国梁  发表时间: 2015/04/27 14:33 

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 [6楼]  作者:541218  发表时间: 2015/04/27 15:34 

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 [7楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/04/27 15:56 

马老师:
“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。”

这和我解剖 朱顶余 的L的方法是一致的,补充了AD、DC就是完整的环路。他所要的垂直于导线的安培力不是不能产生,而是它那个电路不能产生。他那个电路只能产生沿AB正反方向的安培力和反安培力。

我们可以先画上AD、DB,但不通电。单独BCA通电,产生AC方向安培力,方向同BA。然后断开BC,连上AD,单独CAD通电,可在AC上产生又一个方向的安培力,方向同DC。

也就是说AC的两个邻边分别导电,分别得到安培力Fba和Fdc,大小相等,方向差90度。当把BC、CA和AD同时通电,就相当于前两次单独通电得到的两个力的矢量和。这个合矢量就垂直于AC,是真正轴对称场产生的垂直安培力。当缺少第三边AD时,就是不对称场产生的安培力。它的大小只有三边形成的垂直安培力F=Fba+Fdc的根号2分之一。可见,垂直于导线AC的安培力F,只是两个邻边对导线AC单独作用的叠加。那么这种分析方法叫做各个击破。我的分析也证明了只有单边BC贡献磁场时,对AC电流的安培力就是BA方向的!这就是不对称磁场在导线AC中贡献的,不垂直于导线的安培力!
 [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/04/27 16:17 

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 [9楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2015/04/29 01:17 

[6楼]
朱先生,你的铜球是否可以实现非闭合电流元,并不是一目了然,毫无争议的,因此你不如直接跟赵凯华说采用空气电容放电而形成的非闭合电流元,看看他坚持牛3还是洛伦兹力?

※※※※※※
空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [10楼]  作者:541218  发表时间: 2015/04/29 08:54 

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 [11楼]  作者:刘振永  发表时间: 2015/06/05 15:30 

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 [12楼]  作者:否定相对论  发表时间: 2015/06/06 10:18 

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 [13楼]  作者:刘振永  发表时间: 2015/06/06 10:56 

失重问题不难解决,目前技术就能达到;关键是快速旅行的问题。就目前所知的人类飞行技术以及设想的各种飞行方案而言,确实那星际旅行的梦想是根本不可能实现的,不过由于我们人类当下还对大自然了解甚少,而究竟存不存在超光速旅行的可能,则是我们并不能轻易去肯定或否定的。《自然之然》一书剖析了人类为何难以实现星际旅行梦想的原因,但是却也从新的视角给出了超光速旅行的可能以及实现此梦想的方案;当然,至于人类能不能有机会达到那样的技术层次,则就不好说了。
[楼主]  [14楼]  作者:马国梁  发表时间: 2015/06/06 11:27 

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 [15楼]  作者:刘振永  发表时间: 2015/06/07 01:41 

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[楼主]  [16楼]  作者:马国梁  发表时间: 2015/06/07 11:38 

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