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【物理实验】1:测量通电导线表面自由电子的螺旋运动

(2016-10-22 08:07:16)
标签:

奥斯特实验

磁力线

电流磁场

螺旋运动

正交电磁场

分类: 一元二态物理(PMT)

(欢迎有条件的个人或组织重复该实验,或与笔者合作进行精确实验)

在著名的奥斯特实验中,导线沿南北方向(即与地球磁力线平行)放置,导线下方有一可在水平面内自由转动的磁针。当导线中没有电流通过时,磁针在地球磁场的作用下沿南北取向。当导线中通过电流时,磁针就会发生偏转。笔者查阅了描述奥斯特实验的许多资料,没有找到将导线东西方向放置的实验,奥斯特当时是否做过该实验也不得而知,下面是笔者在2013年做的这个实验。

根据磁针指向调整方格板,使方格板上的纵线与磁针方向(即地球磁力线)平行;导线与方格板的横线相平行,即导线与地球磁力线相垂直,导线与方格板间距为4cm。将磁针置于导线下方,见下图。

【物理实验】1:测量通电导线表面自由电子的螺旋运动

当导线上电流方向由西向东时,磁针发生顺时针偏转。随电流改变不同截面导线对应的磁针偏转角度θ见下表。

【物理实验】1:测量通电导线表面自由电子的螺旋运动

如果电流磁场的磁力线与载流导线垂直,即在磁针位置电流磁场与地磁的磁力线方向平行,那么磁针应不会发生偏转。因此,磁针发生偏转的事实表明,电流磁场与地球磁场的磁力线并不平行。

显然,磁针产生的偏角θ,是地磁对磁针的逆时针磁矩LE与电流磁场对磁针的顺时针磁矩LI大小相等的位置,即LE=LI。因此电流磁场磁力线的偏角α应大于磁针偏角θ,即:α>θ。

由于电流磁场源于电流,即源于导线表面自由电子的运动,因此电流磁场偏角α的存在事实,反映了自由电子并非沿导线直线运动。这与我们一直沿用的电流模型(见下图)是不协调的。

【物理实验】1:测量通电导线表面自由电子的螺旋运动

该实验表明,自由电子是沿导线表面螺旋前进的,磁场是由导线表面自由电子之间的耦合场所形成的,磁力线的方向与电子的运动方向是平行的。另外,电子运动方向与导线轴线夹角θ总是小于π/2的,显然电流产生的磁场与导线并非严格正交。

 

实验结论:

1)通电导线表面的自由电子是螺旋运动的,宏观上表现为电流的磁效应;

2)导线中电流的另一部分的载体为:在导线内部沿导线轴向运动的游离电子,这部分电子对磁效应没有贡献,它们的宏观效应是导线发热。

3)所谓正交电磁场并非严格正交,因此正交电磁场的观念是错误的。


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