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麦克斯韦电磁理论对电流磁效应的误读

(2007-05-06 23:09:13)
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磁场产生的根本原因是异性电荷间的摩擦

 

    从库仑研究静电规律开始,人类不断地对电和磁的规律进行探索和研究,到麦克斯韦进行概括性的电磁理论的总结,终于深刻认识了电磁现象的普遍规律,取得了伟大的科学成就。然而,当人们普遍认为麦克斯韦理论不容置疑地成为电磁理论完美的终极的时候,许多的电磁现象及由麦克斯韦理论带来的后续理论依然存在大量的无法解释的困难和悖论,比如麦克斯韦电磁理论是建立在以太存在的基础上的,而后人的实验结果及大量的宇宙和自然现象却与以太存在的结论不符,光速永恒不变也不能让人完全信服和接受,用惠更斯原理解释光的色散现象得出的结论光在介质中的速度与频率有关,完全违反由麦克斯韦方程组推导得出的在任何介质中光速与频率无关的论断,对于热电效应、微观世界的量子现象等都是知其然不知其所以然,无法用现有电磁理论解释,对于物质被磁化的问题,为什么很多的金属不能被磁化也从来无人解释过,对于导线的电阻,温度越高电阻越大,与想象的正好相反。正因为存在大量违反现代电磁理论的事实无法解释,所以,哪怕我们不能从理论上完全证明现代电磁理论存在错误或不足,不能完全循着麦克斯韦的探索轨迹、抽象思维方式重复他的完整思想过程,或者没有能力和机会掌握高级数学语言去推导麦克斯韦方程组、用麦克斯韦方程组去推导其它电磁理论公式,我们也不能就此认为麦克斯韦方程组是完全正确、一点没有错误的。事实上,即使完整地学完现代电磁理论和高等数学的人也决计没有真正地搞清楚电磁现象的本质和奥秘,甚至,或许凭人类的能力永远揭示不了所谓的电磁波或光的本质,就好比人类虽然掌握了极为复杂的数学技巧,却无法真正证明每一个质点仅做上下运动的水波的传播速度是恒定的一样、无法写出一个也许在上帝眼里看来很简单的圆周率精确推导公式、无法用准确的公式而不是用分割法去对同样在上帝眼中看来很简单的天体运动轨道进行计算。人类已经掌握了复杂的数学技巧,但或许凭这点数学知识只能精确计算和解决一些最基本的物理运动,比如,圆周运动的计算、抛物体运动的计算、单摆运动的计算、电路中各种参数的计算等等,对一切的波都无法精确计算,甚至只能进行猜想或实证、用经验公式进行并不完全准确的计算。

    从麦克斯韦、洛伦兹、爱因斯坦、直到如今,探索宇宙物理本质越来越艰难了,原因是在他们之前探索的一些规律基本上都是人们能够感觉到的一些物理现象,而现在人们是要去揭示更微观、更遥远、更快速、感官更触及不到的领域存在的规律,在这过程中,许多的主观判断、假设、假想都很难通过实验去验证,于是,许多人不可避免地经常会进行所谓的思想实验,甚至是完全脱离人类最基本认识的思想实验。还有一个就是人们不得不更依赖于数学语言去解决那些感官触及不到的领域的问题,麦克斯韦、洛伦兹、爱因斯坦就是其中的代表,到现在,甚至“物理归根到底就是数学”的说法也流行起来了,所以在现在,一个基本假设的错误或一个基本认识上的错误,可以导致整个系统理论出现严重方向性错误,人们却全然不知。所以,科学理论误入歧路成为谬论的危险性大大增加了,而一旦误入歧路,后面的路就会很困难、矛盾或悖论百出。

    所以,面对现代电磁理论无法解释许多物理现象的事实,我回到电磁理论发展的起点,对一些基本现象重新进行了反思,得到了一些在我看来很有价值的新的认识,在此与大家一起分享和探讨。

    在麦克斯韦之前的人们对电和磁的研究从来没有离开过带电体或导线等实物,得出的许多结论基本上都是基于实验结果的。安培在研究电流的磁效应时,通过实验得出了电流方向相同的两根平行的直流导线会相互吸引,而人们对电流的定义是电荷的移动形成电流。现在我们就脱离导线,根据这两个基本认识来分析一下在真空中并排而行的两个同性电荷的相互作用情况。

    根据电荷移动产生电流的观点,在真空中并排而行的两个同性电荷会形成同方向的两股电流,按照电流的磁效应,这两个同性电荷之间会产生一个吸引力,显然吸引力大小会随着两个电荷前行的速度增加而增加;而根据库仑定律由于它们是同性电荷,它们之间还存在一个排斥力,排斥力大小随着它们之间距离的缩短而增加。所以当它们以一个不变速度同步前行时,它们会自动保持一个不变的并排距离,在这个距离上,吸引力同排斥力相等,当它们的前行速度加大时,吸引力增加,为了与排斥力达到新的平衡,它们的距离必定会缩小。

    这样的分析是基于对电流的基本认识和电流的磁效应基础上的,如果不深入地进行分析大家也许会觉得这样的判断是完全正确的。然而,这个结论根本经不起推敲,因为导线中电荷的移动速度是相对于导线为参照物的,而真空中的电荷以什么作为运动的参照物呢,不可能以观察者为参照物吧,如果可以的话那就是对于不同运动速度的观察者它们之间的吸引力和平衡距离都不一样了,这岂不是很荒谬吗。

显然,唯一正确的解释是,真空中并行的两颗同性电荷不会产生磁效应而相互产生吸引力,它们之间只存在电场排斥力。这样对于任何观察者来讲,它们之间存在的力和距离的关系都是相同的。

    由于电荷的移动伴随着电场的变化,根据上面的分析可以得出,变化的电场并不产生磁场,所以麦克斯韦的变化的电场产生磁场的说法是错误的。

    为了更清楚地弄清问题的真相,我们把上面两个基本认识作为两个命题再着重地重复一下,命题①:电流会产生磁效应;命题②:电荷的移动产生电流。

    所以,按照上面分析的悖论可以得出:命题①和命题②不会同时成立,当我们假设命题①成立的话,那命题②就肯定是谬论;当我们假设命题②成立的话,那命题①就肯定是谬论。

    暂且就不谈什么是电流的问题,先分析一下电荷移动同磁效应的关系,真空中的电荷移动不会产生磁效应,那么就等于说直流导线周围的磁效应本质上不是由电荷移动引起的,是由另外一种原因引起的,也就是说由于导线的某一种区别于真空的属性,通过电荷的移动触发产生了在真空中不具备的一种原因,再由这种原因引起了磁效应。

    有一点我们应该很容易想到,在导线中除了自由电子外还存在着异性的正电荷,还存在不带电的基本粒子,显然,不带电的基本粒子是怎么都不可能成为引起磁效应的原因的,这样就可以确认是与正电荷有关了,那么难道就是正电荷引起的吗?我们可以这样来理解,所谓正电荷其实就是原子核,当原子核外围电子向一个方向离去时,根据相对运动原理,也可以认为是原子核在向另一个方向离电子而去,按照这样的分析,既可以把电荷移动看作是电子向一个方向运动,也同样可以看作是原子核在向相反方向运动,如果仅仅按照这样来理解,那么这样的电荷移动同真空中的电荷移动就没有什么区别,因此将不会产生磁效应。

    所以这样就非常清晰了,只剩下唯一的一种可能,那就是正负电荷共同参与、共同作用产生了磁效应。

    在电子(负电荷)的移动过程中,正负电荷唯一的共同作用就是它们之间存在相对运动,而且是一种有规律的相对运动,所有运动电荷都是相对于异性电荷向同一方向运动。所以我们完全有理由相信,磁效应必定是一种性质的电荷相对于异性电荷向同一方向运动引起的。在没有这样的有规律的电荷移动的导体中,自由电荷的运动是杂乱无章的,在宏观上不能表现出磁效应。

    异性电荷之间的相对运动可以理解为双方电场间的摩擦,为了更好地弄清其中的道理,我们把电场重新进行一下分类,把正电荷产生的电场叫做有源正电场,负电荷产生的电场叫做有源负电场。那么可以得出结论:异性电场间的摩擦产生磁场。

    如果把电场理解为无数的电力线的话,在某一空间点上异性电场间的摩擦运动应该是,任何一方电场相对于另一方电场不是电力线的插入或抽出运动,而是并入或并出运动,就是电力线是横着进入或离开另一方电场的。或者是两种运动的叠加,任何一方相对于另一方纯粹的插入和抽出运动都不形成摩擦,就是任何一方相对于另一方必须同时都不是纯粹的插入和抽出运动才能形成摩擦,电力线越密集(电场强度越大)的摩擦点产生的磁效应越大,摩擦速度越快的摩擦点产生的磁效应也越大。

    我们再回到前面提出的两个命题上来,命题①:电流会产生磁效应;命题②:电荷的移动产生电流。这两个命题为什么不能同时成立,实际上已经很清楚了,如果我们把所有情况下的电荷移动都叫做电流的话,那就应该把电流分为两种,一种是:导体内会引起异性电场间摩擦的电流,它将产生磁效应,我们不妨就称它为“生磁电流”;另一种是:导体外不引起异性电场间摩擦的电流,它不产生磁效应,我们也给它取个名字叫做“非生磁电流”。人们现在用电流计测的电流实际上都是第一种生磁电流,因为电流计采用的原理就是测量电流磁效应的大小。

    由于人们已经通过大量的实验和实践证明了包括安培定则、安培定律和法拉第电磁感应定律在内的所有有导体参与的电磁方面的理论。导线中的电流大小与磁效应大小成正比关系,结合前面分析的异性电场间摩擦产生磁效应,可以得出结论,导线内电荷的流量大小与异性电场间的摩擦强弱成正比。两根材料相同、电流相同但温度不同的直流导线,它们单位时间内的电荷流量是相同的,但温度高的导线比温度低的导线外围电子离原子核的距离要远,移动过程中因异性电场间的摩擦产生的磁效应要小,所以为了使总的磁效应保持相同,单位导线长度内温度高的导线比温度低的导线外围电子与原子核的接近次数必定多,也就是说,温度低的导线内外围电子从一个原子核到另一个原子核跳跃的距离必定比温度高的长,跳跃的频率低,这样的结论与导线温度越低电阻越小是符合的。

    现在来分析一下物体间的作用力问题,牛顿第三定律中作用力与反作用力大小相等、方向相反指的不仅是两个物体的直接接触,也包括间接接触,如万有引力是通过中间的万有引力场来实现的,也就是说两个物体同时具有万有引力场才会产生相互作用。那么,场有三种,万有引力场、电场、磁场;分别产生三种力:万有引力、电场力、磁场力。众所周知,两个物体必须同时具备同一种性质的场才会产生这种场的作用力,不同性质的场之间不会产生作用力,一个静电荷同一块磁铁间是不会有电或磁的作用力的。我们来看一下在磁感应强度均匀的恒稳磁场中运动的电荷,均匀的恒稳磁场不产生电场,而导体外的运动电荷又不产生磁场,也就是说,均匀的恒稳磁场中只有磁场没有电场,而运动电荷周围只有电场没有磁场,因此运动电荷将不会受到电场力或磁场力的作用,保持匀速直线运动。所以人们一直以为的洛伦兹力f=qvBSinθ就是不存在的,事实上人们至今都没有通过有说服力的实验证明它的存在,少数的几个实验并不是电荷在真空中的运动,而是在介质中的运动,所以实验证明所谓的洛伦兹力其实应该是安培力,与直流导线在磁场中的受力是一样的;而证明洛伦兹力不存在的证据却是实在的,示波器、显像管等的电子流偏转依靠的就只是电场力,所以图像才完全按照X方向和Y方向两个偏转系统电场信号的电子扫描成像,如果存在洛伦兹力,由于X方向和Y方向两个偏转系统的各自两个极板间的电场变化必定会产生与电子流方向不一致的磁场,电子流必将发生违反偏转系统电场信号的偏转,显示的图像必将发生错乱或模糊。所以,清晰的图像证明了洛伦兹力的不存在。另外,回旋加速器中旋转的电荷只受到涡旋电场的作用,现在人们认为其中有洛伦兹力存在是一个错误的认识。

    现在再来分析异性电场的摩擦问题,对异性电场间是否存在摩擦运动的判断,我们只需判断产生异性电场的异性电荷间的运动就可以知道,两个异性电荷间存在两种关系,相对运动关系和相对静止关系,显然,相对静止关系是不存在摩擦运动的,而相对运动关系也不等于就一定存在摩擦运动,有一种相对运动我们给它取名叫捆绑式运动,就好比我们扔出去的一件东西,在空中飞行的过程中只要不散掉,物体上的每个局部相对于其它任何一个局部来讲就是捆绑式运动,用准确的表达来说,就是两个物体存在相对运动,任何一方都是始终用同一面面对另一方,而且双方的距离保持恒定,这样的相对运动关系就是捆绑式运动关系。显然,这样运动的两个物体之间也不存在摩擦。

    原子核外层电子围绕原子核的旋转运动在没有外界干扰的情况下双方也是捆绑式的旋转运动,就是原子核的自旋角速度、电子的自旋角速度和公转角速度都相等,方向一致,双方距离基本保持不变,这是不受外力的异性电荷间的吸引导致的必然结果。我们可以借鉴普通物体滑动摩擦的结果总是阻止物体间的摩擦运动的继续发生来类比,异性电场间的摩擦也会阻止摩擦行为的继续发生,在双方不受外界干扰时就会很快形成捆绑式运动。

    因此,电子围绕原子核的旋转不会产生磁效应,只有当捆绑式运动被打破时才会出现磁效应甚至辐射波,这也是微观世界表现出不连续量子特征的根本原因。

    磁铁表现出磁性的根本原因也不是电子围绕原子核的旋转本身,而是这种旋转表现出了一定的非捆绑式运动,或者是捆绑式运动因外界因素(相邻原子的外层电子干扰等)不断被打破引起的。

    在一个交流振荡电路的两个电容极板之间存在交变电场,麦克斯韦把这样的交变电场理解为位移电流,位移电流也是交变的,从而在两个电容极板之间外围产生了交变磁场。事实上,上面我们已经分析了因电荷移动产生的变化电场不会产生磁效应,所以我们同样不能把两个电容极板之间的电场变化当作外围磁场产生的真正原因。实际上两个电容极板交替的充放电就已经表明了两个极板上的正负电荷间发生了非捆绑式运动,存在异性电场的摩擦,从而在外围产生了交变磁场。所以,变化的电场除了可以把它类比成电荷在真空中的运动外,不可以作为产生磁场的位移电流来理解。

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