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[楼主] [2楼] 作者:老鹤发表时间: 2007/02/04 20:55

回复:麦克斯韦方程背后的物理真实-------有关磁力线做隐形运动的论证.
对电磁理论若干基本问题的探讨------麦克斯韦方程背后的物理真实
作者:老鹤发表时间: 2001/12/20 16:24 点击:13次修改精华删除置顶来源转移收藏
在任何科学问题上，没有谁会愿意把现象当作本质，也没有谁会愿意“在错误的基础上引伸出一个有问题的结论来,并且把它看作是正确的”(10)。对于电磁理论以及在它基础上的科学的新的发展,我们自然要要求它的“基本原理和基础必须是稳定的,坚固的,不可动摇的,只有这样,人们才可以在这些上面放心大胆地建立体系.”(11)“。。。。。。如果所有人都坐下来附和说:‘啊,真不错’,而在大家头脑中仍有悬疑的问题,那不是对科学负责的态度.”(12)
同样，若一味以现有被公认的经典理论为准绳去裁判新的见解并对之求全责备，或由于科学之外的其它原因把它挡在学术交流的门外，也不是对科学负责的态度。正如JAMES CLERK MAXWELL的名言：“For the sake of persons of 。。。different types，scientific truth should be presented in different forms，and should be regarded as equally scientific，whether it appears in the robust form and the vivid coloring of a physical illustration ， or in the tenuity and paleness of a symbolic expression。”

对电磁理论若干基本问题的探讨
------麦克斯韦方程背后的物理真实

本文旨在探询麦克斯韦方程组背后的物理真实，并提出和探讨一些麦克斯韦方程组未曾涉及的电磁理论的基础性问题。在方法上，本文注重物理过程的连续性，运用牢靠的概念去考察物理图象的连续性变化并追问物理过程的本质。

第一部分磁场的发源、隐形运动及感应电动势的物理本质

麦克斯韦方程组表明，磁通量的变化会激发感应电动势。同时经典电磁学还表明，根据磁通量变化的原因不同，感应电动势又可分为动生电动势和感生电动势两种。
众所周知，产生动生电动势的非静电力是洛伦兹力，而感生电动势则直接归因于麦克斯韦的“涡旋电场”假说。并且，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。也就是说，感应电动势产生的原因有二：涡旋电场和洛伦兹力。
于是，自然便会产生如下重大而又基础性的问题：感应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？
笔者的观点是：即便在普遍的情况下，感生电动势的本质也还是动生电动势，之所以会有‘涡旋电场’，是由于洛伦兹力起作用的结果，即，‘涡旋电场’只是表象。

滋论述如下：

一：“无中生有”、“化有为无”

取一根直导线，若其中不通电流，那么它就不会在其周围产生磁场；若通电流，则会在其周围产生磁场。因此，直流导线在其周围所产生的磁场具有“无中生有”和“化有为无”的性质。磁场（或磁力线）的这一性质早已存在并且非常重要，但却被人们长期忽视。

(1)

二：磁力线做隐形运动的理论证明及感生电动势（涡旋电场）的物理本质

这里所谓的理论证明当然不是大家通常所见到的那种数学公式式的理论证明，而是依据目前的理论（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做隐形运动。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环，金属环轴线与线圈轴线重合，金属环面与线圈不相交（即：使之不套住线圈）。如图所示：（2）

当线圈中没有电流时，金属环中的磁通量为0。当线圈中通了一定的电流后，金属环中磁通量变大，从而产生涡旋电场和涡旋电流---------------这是经典电磁理论的观点。现在让我们把线圈中的电流再增大一点，我们会发现金属环中的磁通量也变大了！金属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（注意：金属环的面积不变！）？是变戏法似的直接穿过了那个面积还是由导线环外移进导线环内的呢？如果我们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，如果我们注意到新增的磁力线环的“发源地”是电流逐渐变大的线圈，那么，我们就没有理由不同意新增加的磁力线环是切割了金属环后才和金属环套在一起的。

在上面例子中，涡旋电场（感生电动势）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，事实上也一直为人们长期忽视。

三：磁力线的发源地及其收放、振动

磁力线的发源地是电流，电流增大则向空间施放磁力线，电流减小则从空间收回磁力线，电流交变则磁力线随之振动，以上磁力线的运动是隐形运动，是相对于它的发源地电流而言的。

这个结论是与经典电磁理论及实验相协调的，通过前面的论述我们也能肯定地得到这些概念，下文的论述也以这些概念为基础。

在这里，我们自然能够一眼就看出电力输送时采用高压、小电流的好处：它不光减小了导体中的焦耳热损耗，而且也使输电线在空间中产生的磁力线振动所导致的损耗减小。（振动的磁力线数目越少，振动的频率越低，这种损耗就越小）。

此外，我们也能一眼就看出：如果采用直流输电，可以直接避免磁力线在空间的振动并最大可能地避免这项损耗。

四：一切磁通量变化而引起的感生电动势（涡旋电场）的物理本质都是洛伦兹力在起作用。

Ⅰ 考察没有磁介质的情形： ⅠⅡⅢⅣⅰⅱⅲⅳⅴⅵⅶⅷ

ⅰ 在此条件下，上述结论在上面的例子里无疑是成立的。即便让金属环和线圈相交，结论是依然是肯定的，不再再赘述。

ⅱ 考虑两个线圈互感的情况，上述结论成立，论证方法同上，这里也不赘述。

ⅲ 考虑自感的情形。

首先考虑只有一匝线圈的情况，这种情况在通常的工程技术中与直导线的情况区别不大。需要特别注意的是，根据磁场的叠加原理以及我们上面的论证思路，会出现反常的情况，即出现和楞次定律相反的情况--------------这也表明，楞次定律不能是电磁学的基本的定律，或者换句话说，楞次定律不成立（3）。这实际上是一种反电感效应，可以引申出反电感的概念，经过特殊的设计（4），在技术上是可以实现反电感的。

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，这是磁力线隐形运动结果的主要方面，磁力线的隐形运动当然会象单匝那样出现反楞次定律的因素，但通常由于线圈的直径远大于螺线管各匝间的间距(5)，因此它在这一对矛盾中居于次要地位而完全可以被忽略不记（事实上，人们长期以来也一直未曾关注到通常结构的螺线管中这个矛盾的次要方面），关于这对矛盾的次要方面，下同，不再赘述。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，好象中间的那匝既向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，而它们的作用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。

Ⅱ考察有磁介质条件下的情况

ⅰ介质为抗磁质的情形

经典电磁理论指出，物质抗磁性的来源是电子的轨道运动。为便于说明，设电子轨道面与外磁场垂直。当外加磁场增强时，原先角速度与磁场方向一致的轨道电子的角速度加快，它在轨道面内的磁场与外磁场方向相反且有所增强，并且向空间“释放”与外磁场方向一致的磁力线(6)A；原先角速度与磁场方向相反的轨道电子的角速度减慢，它在轨道面内的磁场与外磁场方向一致且有所减弱，并且从空间“收回”与外磁场方向相反的磁力线(6)B-------------------------------------设我们上面考察的抗磁质处在磁场正在增强的螺线管中，仔细研究抗磁性物质中轨道电子所释放和回收的磁力线，可以发现，它们切割螺线管导线后产生的涡旋电流（其非静电力是洛伦兹力）所产生的磁场总是与螺线管内正在增强的外磁场方向一致------------------即：螺线管中放入抗磁质后，螺线管的自感系数变小；从能量角度来看，螺线管外部空间分布的磁能变小了，而在抗磁质和螺线管间却产生了相互排斥的作用并储存着磁力势能。

在这个具体的例子中，抗磁效应使得螺线管中正在增强的磁场增强得不那么快（和螺线管中没有抗磁质时相比），或者换句话说它使螺线管中的磁场“减弱”，我们上面分析的结果是：它所“感应”的电流的方向总是阻止这种“减弱”，其机理是洛伦兹力在起作用，这与我们“一切磁通量变化而引起的感生电动势（涡旋电场）的物理本质都是洛伦兹力在起作用”的主题相合。

这也是反电感效应。从物理作用的因果关系来看，螺线管中磁通量增加为第一级“因”，它的“果”是在螺线管中产生阻止磁通量增加的涡旋电流（指没有磁介质时，本质仍是洛伦兹力在起作用），这个电流（指在没有磁介质时螺线管中感应的电流）通常与有抗磁质时抗磁效应所感应的电流方向相反且比后者要大得多，后者被前者彻底掩盖掉了，这正是我们在一般的实验中观察不到这个反电感效应的原因。

ⅱ介质为顺磁质与铁磁质的情形

顺磁质与铁磁质有很大的差别，但它们都使所在的磁场得到增强。为了说明的方便，我们假设它们由很小的小磁针组成。下面以顺磁质为例加以说明。

设螺线管内包围着顺磁质。当螺线管中未通电流时，介质内小磁针的排列杂乱无章，宏观上对外不显示磁性。当螺线管中通了电流并产生磁场时，介质中的小磁针会在一定程度上转向螺线管中的磁场方向并使回路中的磁通量较没铁磁质时大很多，从而在回路中产生大得多的感应电动势。其物理过程的图象是这样的：设外磁场方向向上，那么原先N极向下的小磁针会转为N极向上，无论它从哪个角度转过去，它的N极和S极的磁力线都会切割回路，且N极和S极磁力线切割回路时所产生的感应电动势方向一致！并且与没有磁介质时螺线管中的感应电动势方向一致！（7）其物理本质还是洛伦兹力在起作用。事实上，小磁针数量很大，它们在360度的各个方向上完成转向的几率相同，因此，它们的转动所感应（通过洛伦兹力起作用）的电动势是涡旋的---------------当小磁针转向上时，小磁针间有相互的排斥力，其中储藏了磁能，并进一步阻止其它N极向下的小磁针转过来。因此可以定性地说，后转过来的小磁针所储藏的磁能较多，且后转过来的小磁针转速较慢，它切割回路时（洛伦兹力起作用）所感应的电动势也较小。笔者相信，上述物理图象与磁通量子概念有内在的联系。

应当指出，在上述例子中抗磁效应同样存在，只不过它们所感应的电动势较顺磁效应小很多而被掩盖掉了。

第二部分电磁波的传播机制、磁力线运动速度的极限

一电磁波的传播机制

麦克斯韦的理论系统地总结了前人的成果，特别是总结了从库仑到安培、法拉第等人电磁学说的全部成就，并在此基础上加以发展，提出了‘涡旋电场’和‘位移电流’的假说，由此预言了电磁波的存在。由此才有了人们今天对电磁波的传播机制的物理图象（8））：“。。。。。。交变的涡旋电场和涡旋磁场相互激发，闭合的电力线和磁力线就象链条的环节一样一个一个地套下去，在空间传播开来，形成电磁波。。。。。。”----------------------------这个图象为物理学界所公认。

但是，根据前面第一部分的探索，有理由确信：如果不存在导体回路或介质，“变化的磁场”（应该确切地表达为磁力线的运动）不必或不会激发所谓“涡旋电场”。这与麦克斯韦的观点相反，而此直接涉及到电磁波传播机制问题。

为了搞清电磁波的传播机制，这里提出YSG实验：取一塑料小球，用一细长线吊在一根长直导线旁边，使小球带上正电荷（为了确保实验效果，设法使细长线也带正电荷）。根据上面的理论推想，在电流由小到大的建立过程中，小球会受力并向逆着电流的方向偏斜；若断开电源开关，则小球会受力并向顺着电流的方向偏斜（9）。此外，随着带电小球的运动，小球和长直导线间会产生应力；如果小球足够小且沿长直导线平行的方向上的速度足够快，小球还会在垂直于长直导线的方向上运动。

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。之所以这样看，除了第一部分的论证作为基础外，事实上已经有了很类似的实验。[注：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》（赵凯华、陈熙谋编著高等教育出版社 1985年6月第二版 1989年3月第4次印刷）P834之思考题4中得到了描述，不再赘述]

于是我们可以给出电磁波传播的机制图象（如图10）：电磁波源中“电流”（“偶极振子”的振动相当于电流交替变化）变化的同时，它向外释放和吸收作隐形运动的磁力线，这些运动（振动）的磁力线切割了周围的介质，产生YSG实验效应，那些固有振动频率和振动源振动频率一致或很接近的介质中的荷电粒子会吸收振源的能量也按同一振动频率振动起来，也向外释放和吸收作隐形运动的磁力线，如此循环往复，电磁波就传播开去。

上述电磁波传播图象表明，其传播过程中并没有涡旋电场；根据YSG实验，我们还可以窥见电磁波有一定的纵波特性，即：偶极振子P、P’、P’’间有相互作用力，并且会在电磁波传播方向上有振动。

二：磁力线隐形运动的速度及其极限

既然我们所讨论的磁力线源于电流并相对于电流作隐形运动，自然就会有磁力线运动速度的问题。

为了和经典的电磁理论相协调，人们自然会猜想磁力线的隐形运动速度就是光速，科学史上，法拉第也曾猜测磁效应的传播速度可能与光的传播速度有相同的数量级。仔细地考察，问题会变得很复杂。

设一无限长载流直导线中的电流为1安培（如图11），它的磁力线（场）分布不难用安培环路定理求出：
µ0I
B = --------------
2πr

从图不难看出，在长直导线电流的建立过程中，一些磁力线运动到r1前就停了下来，还有一些运动到r1、r2之间，还有一些运动到很远的地方，甚至向无穷远处不停地运动着。如果注意到一些磁力线会停下来，我们就不能笼统地说磁力线运动的速度是光速；但合乎逻辑的结论是，电流建立的速度越快，磁力线隐形运动的速度也越快，切割AB和CD后产生的电动势也越高。

另外，从图中还可以看到，在长直导线电流的建立过程中，虽然回路A、B、C、D
中的磁通量增加了，但并不产生涡旋电场，真正的物理过程是：AD和BC段没有电动势，AB中的电动势比DC中的电动势大且方向相反，它们的电动势差才使得回路中产生所谓的涡旋电流。

那么光速是不是磁力线的运动速度的极限呢？

如果上面对电磁波传播机制的新理解正确的话，我们就可以说磁力线隐形运动的最高速度一定会大于光速（图12），或许它的最高运动速度与光速也是同一数量级，或许它的数量级更高些。

但这里可以肯定的是，磁力线隐形运动的最高速度一定不会是无穷大。否则，荷电粒子与无穷大速度的磁力线切割后一定会受到足够大的力，从而就可以推导出电磁波也以无穷大的速度传播的结论。

三其它相关的预言

根据对电磁波传播机制的新理解及磁力线运动速度的极限的理解，这里给出两个预言：

Ⅰ 如果宇宙中存在一个足够大的区域，且此区域为绝对的真空（不存在任何电介质），那么，光波无法穿越该区域；

Ⅱ光子能量在长距离传播后会有损耗，表现为频率降低，即频率红移的原因不必是多普勒效应；也就是说宇宙不必大爆炸。

第三部分微观荷电粒子遵守惯性定律吗？

惯性定律可简明陈述如下：任何物体都保持静止的或匀速直线运动的状态，直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。

这个定律是不可能用实验直接加以验证的，伽利略通过理想实验的方法验证了它的正确性。

那么，微观荷电粒子是否遵守惯性定律呢？麦克斯韦方程并未深究也未回答微观荷电粒子是否遵守惯性定律的问题。至今，似乎无人提出和论证这个问题。

本文认为，微观荷电粒子不守惯性定律。论证如下：

物质都有电结构，因此，荷电粒子对它周围的物质有电感应。运动的荷电粒子对周围的物质难道就没有电的感应吗？合乎逻辑的答案只能是有电感应（除非整个宇宙都是真空，而只剩下运动的荷电粒子自身）。当然，运动的荷电粒子不光有电场，它还有磁场，并且它的磁场分布也以同一速度伴随着点电荷运动；考虑这一因素，会有洛伦兹力起作用，定性分析的结论是，这一因素至少不会减小运动的荷电粒子对其周围物质的电感应效果。此外，经典电磁理论还认为：加速运动的荷电粒子才会释放电磁波，而匀速运动的荷电粒子则不会释放电磁波。

基于上面的认识，我们考察如下图象（图13）：当真空容器中的荷电粒子运动到位置1时，它对1边上的A区域中的物质有电感应，对A区中的正负电荷的分布有一定的影响；当这个荷电粒子运动到位置2时，它对A区域中电荷的分布的影响就不一样了。即，在荷电粒子从位置1运动到位置2的过程中，它使A区域中的电荷作加速运动，而作加速运动的电荷是要释放电磁波的，能量从哪里来？自然从运动着的荷电粒子那里来，于是运动着的荷电粒子的动能就减小了。A区中做加速运动的电荷所释放的电磁波能量显然不可能再完全返还给它的“源”（运动的荷电粒子），当荷电粒子运动的速度大于A区内电子绕核旋转的速度时尤其如此，这是合乎逻辑也合乎热力学定律的。本文认为，物体之所以有电阻的机理如此，而不是运动电子和原子实发生了碰撞。在这个过程中，（“匀速”）运动的荷电粒子其实是受了阻力的，只是其电磁过程较为复杂且容易为人们所疏忽罢了。可以推想，荷电粒子运动的速度越快，A区域中电磁感应变化也越快，它释放的电磁能量（从运动的荷电粒子那里获取）也越多，荷电粒子运动时受到的阻力也越大。

自然应该考察原子内大量电子绕核做加速运动时的情形，它们难道不会因为不断做加速运动、不断释放能量而最终都停下来吗？问题在于它们都释放能量的情况下，这大量的能量会到哪里去，一个合理的推断是它们也都会吸收能量，总的说来，它们释放的能量和吸收的能量应该相等，只是自然界完美的运做机理很难（或许永远不能）用数学严格而毫不牵强地加以证明罢了。众所周知，经典电磁理论并不认为加速运动的荷电粒子不能吸收能量。

根据上面的考察，运动的荷电粒子是不遵守惯性定律的，我们不应该直接运用牛顿力学体系于荷电粒子。运动的电荷会由于自身的运动而带给自己一个阻力，我们也称它为电阻，这个电阻是速度的函数，荷电粒子运动的速度越大，它向外释放的电磁波的能量也越大即它受到的运动的电阻力也越大,用f 电阻(v) 表示。

如果我们认识到f 电阻(v) 的作用，总结出它的表达式并在电磁学实验及分析计算中引入之，我们就可以说荷电粒子也遵守牛顿力学体系的惯性定律。而且经过进一步的思考，我们会得到结论，荷电粒子之所以有个速度极限就好象从高空丢下的钢球有个速度极限一样，这是很正常的事，而钢球和电子的惯性质量本身都是不变的。

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