|
稳恒磁场真的稳恒吗？
若一根相对于实验台静止的长直流导线中通了稳恒的电流，人们会说它周围的磁场是稳恒磁场。人们在这么说的时候意味着：这磁场的强度是不变的，而且这磁场的磁力线相对于实验室没有位移（否则它就会切割周围的物体从而洛伦兹力会起作用）。 那么这稳恒的磁场真的稳恒吗？对此，目前的物理学似乎并不特别关心。 要搞清这个问题，可以通过实验的方法来加以考察，此外还可以通过逻辑推理的方法加以考察，在这里，我们采用第二种方法。 首先，物理学中关于金属导电的理论是有很高的可信度的，它指出：金属导电是因为其中的自由电子在电场下运动的缘故，而“原子实”（原子核和束缚电子的统称，它带正电荷）相对于实验台是不动的（直流导线相对于实验台静止）。物理学明确的结论是，金属（导线）晶格由原子实所组成，而其中的自由电子则可以在由原子实组成的晶格中象流体一样运动。因此，我们可以把通了稳恒电流的长直流导线比作水管（原子实）和其中流动的水（自由电子），并且我们总可以使水管（原子实）连同其中的水（自由电子）作机械的匀速运动，并使水（自由电子）相对于实验台静止而使水管相对于实验台朝反方向运动----------------对此我们应该有足够的信心，这是我们的逻辑起点之一。 其次，我们假设上面提到的稳恒磁场真的稳恒。于是，我们就有如下合理的推论：（1） 运动的自由电子产生了磁场；而普遍的结论是运动的电荷产生磁场，而且运动的正电荷和负电荷在产生磁场方面除了涡旋方向相反外，其它方面是完全对等的，这也是物理学理论的明确的结论，对此我们应该有足够的信心；（2）运动的自由电子产生的磁场并不随它一起运动，它产生的磁场相对于实验台静止，即磁力线并不随它运动。（3）因为不管导线中通1安培电流还是通10安培电流，它的磁场都是稳恒的，而同一根导线中的自由电子数不变，所以自由电子运动速度的大小对（2）的结果没有影响；（4）直流导线上所加的外电场对磁场没有直接贡献。因为这个外电场若加在绝缘体上，当达到静电平衡时，实验表明并没有磁场产生，这跟（1）相呼应。亦即，在我们下面的讨论中完全有理由不去关心这个外加电场，而只考虑电荷的运动。-------------------------这是我们的逻辑起点之二。 下面开始我们的逻辑推理。 设实验室内放置一水平的实验台，在实验台上沿南北方向放置一长导线，其中通了稳恒的电流，电流方向向南，即自由电子以一平均速度V向北运动；在长直导线的同一水平面内，放置一短直导线L，它与通电长直导线垂直并保持一小段距离（不使接触上），且始终相对于实验室静止。根据上面的前提（两个逻辑起点），我们说实验室内（实验台上）的磁场是稳恒的，因此L两端不存在动生电动势。 现在，让这长直流导线以速度V向南匀速运动。由上面提到的逻辑起点一，我们知道这时自由电子相对于实验室是静止的，而原子实在向南以速度V运动。现在要问，这时磁场还是不是稳恒的？ 一方面，我们可以把长直流导线以速度V向南匀速运动等效为长直流导线不动而让L以速度V匀速向北运动，于是，我们得到一个合理的结论：洛伦兹力起作用，从而L两端会有动生电动势。即，当长直流导线以速度V向南匀速运动时，磁力线也跟着向南以速度V运动---------------------我们不妨称之为图象A。 另一方面，根据前面的逻辑起点，我们可以认为：向南以速度V匀速运动的长直流导线周围的磁场是由原子实的运动引起的，而自由电子对之没有贡献。既然自由电子向北以速度V运动（原子实不动）产生的磁场是稳恒磁场，那么原子实向南以速度V运动（自由电子不动）产生的磁场也应该是稳恒磁场，也就是说L两端没有动生电动势。即，当长直流导线以速度V向南匀速运动时，磁力线并不向南运动，它相对于实验室静止---------------------------------我们不妨称之为图象B。 长直流导线以速度V向南匀速运动，它周围的磁场要么跟着向南运动，要么相对于实验室静止，而决不可能既运动又静止（即L两端不可能既有动生电动势又没有动生电动势），也就是说物理图象必须是唯一的。可是，我们却根据逻辑起点合乎逻辑地得到了两个相互矛盾的图象A和B---------------可称之为YSG悖论之一。因此，我们不难断言，逻辑起点必定有问题。 经过思考，我们认定逻辑起点一没有问题，于是逻辑起点二有问题，即：通了稳恒电流的长直导线周围的磁场不是稳恒磁场。 那么这个并不稳恒的磁场的磁力线该如何运动呢？我们不妨先假设它随电子以同一速度V运动。下面让我们重复上面的逻辑推理过程。 当长直导线不动时，L两端有动生电动势ε。当长直导线以速度V向南匀速运动时，我们可以将之等效为长直导线不动而L以速度V向北运动，于是得到图象C：L两端无电动势。 另一方面，我们可以认为：向南以速度V匀速运动的长直流导线周围的磁场是由原子实的运动引起的，而自由电子对之没有贡献。既然自由电子向北以速度V运动（原子实不动）产生的磁场是跟着自由电子一起向北运动的，那么原子实向南以速度V运动（自由电子不动）产生的磁场也应该是跟着原子实一起向南运动的，也就是说L两端会产生一个反电动势-ε-------------------------------我们不妨称之为图象D。 物理图象必须是唯一的，可我们却再次合乎逻辑地得到了相互矛盾的图象：C和D--------------可称之为YSG悖论之二。 进一步的，无论我们假设这磁力线如何运动，我们都会得到相互矛盾的图象。那么问题到底出在了哪里呢？长直流导线中通了稳恒的电流，它周围的磁场到底是稳恒的还是非稳恒的呢？ 回头再检查一遍，看来逻辑起点一没有问题；对于逻辑起点二，我们进行的两次逻辑推理都用到了“运动的电荷产生磁场，而且运动的正电荷和负电荷在产生磁场方面除了涡旋方向相反外，其它方面是完全对等的”这个结论，根据带电粒子在磁场中的运动规律及其它的物理实验，这个结论是可靠的。 悖论的症结到底在哪里，如何解开这个结？当我们从上面的逻辑推理中跳出来，我们会发现，之所以会出现悖论，是因为上面逻辑推理过程中没有注意到运动的绝对性质。考虑到长直导线周围磁力线的涡旋性质，根据笔者“论宇宙的性质”一文中的观点，我们应该说长直导线（原子实）、电场、其中运动的自由电子和它们周围的磁力线共同构成了一个小宇宙，在长直流导线运动时，这个小宇宙的各要素跟着以同一速度运动。----------------------------而“运动的电荷产生磁场，而且运动的正电荷和负电荷在产生磁场方面除了涡旋方向相反外，其它方面是完全对等的”这一结论在这里不适用。 因此，如果假设长直流导线周围的磁场是稳恒磁场-------------（当导线不动时，L中没有动生电动势；）当导线以速度V向南运动时，L中一定会有电动势，其图象是统一的。 如果假设长直流导线周围的磁场不是稳恒磁场，且假设这磁场以速度V随电子一起运动-------------------（-当导线不动时，L中有动生电动势ε；）当导线以速度V向南运动时，L中无动生电动势，其图象也是唯一的。 至此，倒是再次证明了运动的绝对性质，但对于直流导线周围的磁场是不是稳恒磁场还没有一个结论。 根据荷电粒子在磁场中的运动规律，结合笔者在“论电力线和磁力线的性质”一文中的观点，笔者确信独立的荷电粒子在真空中运动时，它（是产生磁力线的，即便观察者随着它一起运动，它也还是会产生磁力线，并且）所产生的磁场（力线）是随着它以同一速度一起运动的；同理，导线中由于大量自由电子的定向运动所产生磁场也是随着这些自由电子的定向运动而一起运动的。因此笔者确信，通了稳恒电流的长直流导线周围的磁场，从严格的意义上来说不是稳恒磁场，即：磁力线逆着电流的方向以自由电子的平均漂移速率V相对于导线运动。---------------------------只是这个V通常很小，一般情况下可以忽略不计。例如，铜线中的电流密度为每平方毫米2。4安时，其中自由电子的平均漂移速率为0。00018米/秒。（《电磁学》P242，赵凯华、陈熙谋 著） 根据上面的认识，我们自然得到许多重要的结论。 例如，原子内绕原子核运动的电子所产生的磁力线也随着它的运动而运动，由于内层电子和外层电子运动的速率不同，就会有外层电子切割内层电子所产生的磁力线的现象，从而洛伦兹力起作用，并对内外层电子间的相互作用产生影响； 再如，两个电流大小相同且方向相同的直导线间会产生相互吸引的作用，目前物理学认为其微观机理是洛伦兹力在起作用，但根据本文的观点，一个导一个导一个导，而磁力线发源于这些分子环流并被束缚在分子环流里，它没有不跟着磁铁一起转动的道理）--------------------对此，历史上“曾有过激烈的争论。。。。。。对磁力线是否随磁体一起运动的问题存在着截然相反的看法。法拉第认为，磁体转动时它周围的磁力线并不随之运动，即，磁力线静止在实验室内。。。。。。。但是法拉第的实验并不能严格证明这种观点的正确性。韦伯（Weber）的观点却完全相反，他认为磁力线随转动的磁体一起运动。。。。。。但这种观点受到很多人的批评，Becker认为，磁力线随磁体一起运动的观点不能同任何合理的场论相协调。然而，并没有决定性的实验在这两种观点之间做出判断。”（《狭义相对论实验基础》P99~100，张元仲 著） 笔者设计的判决实验如下：取一轴对称的圆柱形磁体，让它的N极朝上（S极朝下）绕对称轴逆时针（俯视）旋转，于是圆柱体侧边的磁力线也跟着旋转，为了排除磁体转动所带动的风力的影响，可在磁体右边，放置一半圆形金属屏障（圆心与磁体轴心重合），再在这金属屏障的右边用一细线吊一带正电荷的小球。当磁体不转时，带正电的金属小球由于静电感应，会向左偏斜一个小角度；当磁体以一定的速度转动起来后，半圆形金属屏障切割向下的磁力线，洛伦兹力起作用，并会在屏障的右边的面上产生正电荷并对带正电的小球起排斥作用，这个作用连同带正电的小球受到的洛伦兹力的作用会使小球向右偏斜一个角度（至少和磁体不转时相比不会向左偏斜那么多）。 老鹤。 2000/9/1夜。 转自 我是中国人[ysg.xilubbs.com] |