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《电子力学》浅说之五:

(2010-06-05 09:30:26)
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杂谈

电子主宰的电磁世界

对于电子力学的研究,爱因斯坦相对论和量子力学已将其由经典的电子理论开拓为量子电动力学。然而,这些理论丝毫也没有解释清楚电磁的本质、光的本质以及化学的本质。为此,我另辟蹊径,依据《趋衡论》的思维方式,在经典的电动力学基础上,作出大胆假设,探索电磁的本质。

 

 

[原子中电子的游离]

由于“质电趋衡力”仅与质子的多少有关,与质子、电子两者之间的距离无关,所以化学元素的起源就不会停留在氢的阶段,而是不断地增加核中质子(包括中子)和核外电子,直至饱和。这种饱和表现在两个方面,一个是原子核的不稳定,形成放射性元素;另一个是核外电子的不稳定,形成导电元素。

在导电材料中,原子核无力将最外层的电子束缚在原子轨道上,也就是说,原子最外层的电子常脱离原子轨道,游离在原子之间的空间,成为自由电子。但又不能离材料而去,故而材料并不呈带电状态。电子脱离原子轨道,自然不再绕核旋转,呈乱运动状态。这种乱运动是叠加于电子弥散基态之上。因此,导电材料周围空间弥散的电子状态是不同于非导电材料的,它容易被电磁场极化。电子原本在原子中呈能级的梯度分布,但电子一旦进入空间就呈弥散状态,成为似物质非物质,似运动非运动的物质原始体。导体与非导体的区别就在导体周围空间存在一定密度梯度的乱运动电子。它们极易被极化产生定向运动而呈现电磁场。

 

[点电荷上的电子]

点电荷是一个几何概念,当带电体缩小到仅带一个电子的导体,为之“点电荷”。导体本身是不带电的,只是人工可使其带电,如用绸或毛皮摩擦胶棒或玻璃棒,能使它们带电。如带上电子则呈负电,如失去电子则呈正电。不管是胶棒还是玻璃棒,原本是电中性的。一旦带上电荷,就会排斥电荷,使其处于表面。处于表面的电荷虽说立足于负载体,但其本身曝露在空中,形成“点电荷” 。

点电荷虽说立足于载体之上,却并不受载体原子的束缚,只是因质电趋衡力的缘故,临时立足于载体。所以其自由度胜过导体中的自由电子。它存在几率的很大部分在点电荷周围空间,呈大小球面几率梯度分布,这就是点电荷产生的电场。电场的存在,可以用验电器测出。在点电荷与验电器之间存在电力线,如图丙或丁。

《电子力学》浅说之五:





                                

 

 

通过数学运算,可以得知静止电场是没有电源的保守场,它既无散度又无旋度。因此,在点电荷周围空间测不到电荷的存在。这是因为空中自由电子的弥散和叠加于其上的乱运动,均显示不出它们的存在。虽说电场无形无踪,但却能用点电荷的场强公式:                《电子力学》浅说之五:


 

 

计算出它的强度,同时也遵循库仑定律。也即:

 

 《电子力学》浅说之五:

[电流中的电子]

有电荷,有电场,尚不能形成电流。也就是说,电子的乱运动作的是无用功,只有电子作定向运动才能做有用功。靠什么力让电子作定向运动呢?我们这个世界原本是电中性的,“上帝”给了我们多少质子,也给了我们多少电子,一个都不差。当某地、某物少了一个电子,它总会想方设法把它找回来,这就是“质电趋衡力”的魅力,人不过是利用了这种魅力。

自由电子在真空中是无运动可言的,更谈不上运动方向。但是一旦受到质子的趋衡力,它就径直奔向质子。这在电学中就是所谓“电流”。产生电流的方法很多,如伏打电池、温差电池、压敏电池、蓄电池、…,当然还有发电机。但它们的原理都是先将原子中电子强行分离,然后再通过导线让它回去,从而在回去的路上做功。

电子在导体中运动,就会涉及到电势、电阻、电容、电感等问题,它们属于电学范畴,这里就不去罗嗦了。不过我们不仅要知道电子在导体中的行为,还必须了解它在导体附近空间的行为,这就是“磁场”。

何谓“磁场”?通俗些说,就是能使磁针转动的场。磁针是什么?又为什么会转动呢?这在中学里也学过,原来是电子宏观规则运动的表现。我们知道任何物质都是由原子或分子构成,原子中核外电子绕核旋转,产生一种轴向的吸引力,其力的方向指向地球南北极,称之谓“磁针”。不过一般物质中原子磁针呈杂乱方向排列,显示不出磁性。唯有磁铁之类的磁性物质,原子或分子磁针排列整齐,能作测试磁场用。既然电子的宏观规则运动表现为磁性,那么直线导体中的电流和螺旋管中的电流就会在附近空间产生磁场,其方向遵守安培定则。参见下图

由于直线导体或者螺旋管中电子的宏观流动,带来了它们附近空间中弥散电子的宏观流动,形成了宏观的磁体,表现为磁场。它们的客观存在可通过磁针效验,其场也由静电的无旋场变成了动电的有旋场。但空间并不存在它们的踪影,因为它们呈弥散状态,只不过是在弥散状态上叠加了规则运动而已。

 

 

 

 《电子力学》浅说之五:

 

 

 

[电磁场中的电子]

电磁场可谓是电子创造的海楼蜃市。其美,美不胜收;其远,周游宇宙;其奇,创造奇迹。然而,要究其本源,却踏破铁鞋无觅处,原来是电子创造的奇迹,真是得来全不费工夫。闲话休题,言归正传。

中学生都知道,静电能产生电场,动电(指均衡电流)能产生磁场,可变电流(如速度和方向的变化)产生电磁场。可变电流何以能产生电磁场?如果说电场、磁场是大自然的造化,那么电磁场就是人类创造的奇迹。人类发现,如若我们在磁场中作切割磁力线的运动,就会在切割导线里产生电流,此电流称为感应电流,它遵守右手定则。英国的工业革命就是得益于它—发电机的发明。当然还有电动机,电动机是将通电导线放入磁场中,使导线转动,它遵守左手定则。不过,人类最大的发明还是电磁波。它由电感和电容组成振荡器,令电流的大小和方向都产生周期性变化。按麦克斯韦电磁理论,变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场又产生变化的电场,如此交替相生,并不断向外传播,它就是电磁波。

在电学和电磁场的研究上,成果累累,可谓突飞猛进,可是对其机理、原理、本质,依然是“知其然,而不知其所以然”。纵有电动力学、量子电动力学的问世,也是满篇数学运算,除了发明几个连自己也说不清的新名词外,还是一筹莫展。我的《趋衡论》对此是心知肚明,胸有成竹。

上面讲到“磁场”是物质中原子或分子电流有规则排列对外的磁效应,这种磁效应虽发生在磁体附近,根源却在磁体,不过是负载在磁体附近的弥散电子上。弥散电子作同样的旋转运动,并呈规则排列,呈现磁性。不过它们并非绕核旋转,其旋转图形也较复杂而已。总之,磁体内分子磁针的有规则排列,造成了它们在空中弥散电子的有规则旋转,从而呈现磁性。磁场被测定为有旋度、有散度的因果场,这就足以证明磁体周围存在有实实在在的大小磁针,祗是看不见而已。

磁场是一种力场,当导线作切割磁力线的运动时,受到磁力线的强烈对抗,这种反作用力足以使导线中自由电子作定向流动,这就是发电机的原理。导线中一旦有电流,立即在周围产生磁场,这磁场磁力线方向与导线所在磁场磁力线方向成90度角,犹如相互切割,其斥力作用在导线上,导线受到磁力的作用而转动,这就是电动机转动的原理。

电磁波辐射的原理要稍复杂一些。电磁波的发射,首先要有电磁振荡器,电子在电容与电感之间来回运动,形成周期运动。然后通过发射器将这种周期运动在空中的电磁场发送出去。这里要说明的是电磁场在空中的定向传播。导线切割磁力线会令导线中自由电子流动,从而在周围产生磁场。可是,在电磁波发射塔周围并无导线存在,又如何产生磁场?发射塔本身能发射电场与磁场交替的电磁波,这不成问题。问题是发出的电场又怎样在空中产生磁场?电磁波发射塔发出的电场自然是振荡着的电场。振荡电场之外空间,弥散电子同样叠加上振荡运动,虽说没有导线,但振荡运动决不含糊。这些弥散电子的振荡犹如磁针,形成振荡的磁场。磁场的振荡犹如切割磁力线,它会对外作功,使磁场以外空间的弥散电子作振荡运动,又形成振荡电场以及磁场。如此电场-磁场不断相生相扣向外传播,在电磁波振荡器能量的不断供给下,电磁波不绝于空间,传遍地球乃至星空。都是因为电子连着原子,又弥散在空中,无处不在。附带说一句,自由电子不管在导体内,还是弥散在空中,它自身的感应速度均是每秒30万公里。所以电流的速度是每秒30万公里,电磁波的传播速度也是每秒30万公里,以后会讲到电子在核外振动(即光)在空中传播的速度也是每秒30万公里,这就决不是一种巧合。

 

 

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