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洛仑兹力作用的微观机理

(2011-03-10 16:39:36)
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杂谈

                 洛仑兹力作用的微观机理

 

 

    只有当我们熟悉了反冲力作用原理、电场作用原理和磁场作用原理后,才有可能深入地研究带电粒子沿垂直于磁场方向运动时,受洛仑兹力的微观机理。

 

   

洛仑兹力作用的微观机理

 

                   图1 无自转带电球体在磁场中运动受洛仑兹力作用

    

 图1中,沿磁力线或逆磁力线方向运动的“磁微子”具有自旋角动量。按右手螺旋定则,“磁微子”的角动量L与磁力线指向相同,为指向纸面向上。

  1)图1(a)中所示为带正电荷q、总自旋角动量为零的球体。球体沿垂直于磁力线方向,相对惯性系以速度V做惯性运动。因为带电球体外抛物质微粒相对球体的瞬时速度(平均值)为光速C,相对惯性系,C要与V以矢量相加,所以在球体的电力线上运动的物质微粒的速度方向将发生偏斜。图1无自转带电球体在磁场中运动受洛仑兹力作用   由于“磁微子”是单独存在的小旋涡体,在自旋反冲力作用下,它沿本身自旋的反方向做高速整体转动。由于这种特性,使在图1(a)中的“磁微子”只能沿电力线方向的左侧侵入球体(右侧“磁微子”的物质流向与电力线上物质流向相反)。因为,从总体上看,电力线E是沿球体运动速度V方向向前推进的,所以,在球体运动方向的右侧,“磁微子”与电力线结合的“游离键”强,使侵入球体的“磁微子”数量相对增多(与左侧相比)。按反冲力作用原理,带正电荷、无自转的球体沿垂直于磁力线方向运动时,受洛仑兹力方向应由左手定则判定。  运动的带电球体是在反冲抛射物质中获得加速度的。在图1(a)中,带电球体外抛物质相对惯性系瞬时合成速度的最大值是C+V,最小值是C-V,它们共同制约着球体的运动状态。按几何平均值原则,应该以√[(C+V)(C-V)]的几何平均值描述球体受洛仑兹力的尺度。所以,在图1(a)所示的情况下,我们将带电球体受洛仑兹力的表达式写成: 

                                                  

                            F0=q·V×B√(1- (V/ C)^2 )     (1)

 

   

 

洛仑兹力作用的微观机理

 

 

 

                图2 同向自转带电球体在磁场中运动受洛仑兹力作用

   

  2)假定带正电荷q的球体在垂直于磁场方向做自转,其平均自转线速度是μ,它的自转取向与“磁微子”自旋取向相同。

     在图2中,<令带电球体沿垂直于磁力线方向相对惯性系以速度V做惯性运动V < C  μ<C。 

 图2中,自转带电球体外抛物质相对球体的瞬时速度为C,相对惯性系C和μ以矢量相加,因而造成了沿球体运动方向的左侧与右侧电场强度E矢量值大, 和方向的不对称。与图1(a)中无自转带电球体相比,沿球体运动方向的右侧侵入球体的“磁微子”数量相对增加更多(E值增大)。按反冲力作用原理,图 2中带正电荷的自转球体受洛仑兹力方向仍由左手定则判定。

 

    在电力线上,球体外抛物质的瞬时速度合成矢量最大值是

 

                              √(C^2+μ^2)+V

 

    最小值是

 

                              √(C^2+μ^2)-V

 

    两者的几何平均值是

 

                             √(C^2+μ^2-V2)

 

    据公式(1),应将带电自转球体受洛仑兹力的表达式写成:

 

                 F↓μ=q·V×B√[1+(μ/ C)2 -(V/ C)2]   (2)

 

    

 

洛仑兹力作用的微观机理

 

                    图3   反向自转带电球体在磁场中运动受洛仑兹力作用

 

   3)改变图2中的磁场方向,在其他给定条件不变时,图3表明,这时带电球体自转方向相对“磁微子”自旋取向相反,使“磁微子”只能沿电力线方向的右侧侵入球体。因为在球体运动方向的右侧电场强度大于左侧,所以公式(2)不能用于对这种情况的描述。

 

     当√(C^2-V^2 ) >μ时,取起主导控制作用的合成矢量的最大值:

 

                            √(C^2- V^ 2)+μ

 

    最小值:

 

                             √(C^2- V^2)-μ

 

    两者的几何平均值为:

 

                         √(C^2- V^2-μ^2)

 

 将公式(1)写成:

 

                F↓v=q·V×B√[1- (V/C)^2-(μ/ C^2 ]               (3)

 

这时带正电荷的自转球体受洛仑兹力方向还是由左手定则判定。

 

    在图3中,当μ>√( C^2-V^2)时,取起主导控制作用的合成矢量的最大值:

 

                                 μ+√(C^2- V^2)

 

    最小值

 

                                 μ-√( C^2-V^2)

 

    两者的几何平均值是:

 

                               √(μ2+V2- C2)

 

    将公式(1)写成:

 

                  F(v)=q·V×B√[(μ/ C)^2+(V /C)^2 -1]    (4)

 

    这时带正电荷的自转球体受洛仑兹力方向,应该由右手定则判定。因此,它类似反粒子在磁场中的运动特征。

 

    在公式(4)和公式(5)中都有一个特征值:

 

                       μ↓0 =√( C^2-V^2)                        (5)

 

    当球体自转平均线速度μ=μ↓0时,公式(3)和公式(4)都给出带正电荷自转球体受洛仑兹力等于零,这使带电球体类似于中性粒子在磁场中的运动特征。我们称μ↓0是“临界速度”。

  根据对称原理,对带负电荷q的球体,改变图1、图2、图3中电场强度E矢量的方向及大小(E矢量表示的物质波的群速),则互为对称的反粒子在垂直于磁力线方向运动时,判定球体受洛仑兹力的方向应由左手定则改为右手定则,或者相反。其定量公式仍由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)给出。 

    从图1(b)中可以看到,对于带负电荷球体,“磁微子”逆电力线离开球体方向运动。当球体运动时,侵入球体的物质量取决于其左、右两侧物质所受阻力不同。

 于是,我们得出下述初步结论: 

    1)在磁场中沿垂直于磁力线方向运动的带电粒子受洛仑兹力大小及方向,除与它们所带电荷符号有关外,还与粒子相对磁场的自转取向有关。带同号电荷的“左转粒子”与“右转粒子”,在同一磁场中沿垂直于磁场的方向自转,并沿该方向运动时,其运动轨道取“左”“右”非对称的形式。就是说,它们是正反粒子对。

 

    2)沿垂直磁场方向平面自转,其自转取向相对磁场自旋相反的带电粒子,沿垂直磁力线方向运动时,当它的平均自转线速度μ大于或等于临界速度μ↓0时,则表现为反粒子或中性粒子在磁场中的运动特点。判别这类粒子的实验方法是,在没有弹性碰撞的条件下,改变这类粒子所在真空磁场的方向。对反粒子,改变磁场方向后,它的偏转方向并不改变,只是轨道曲率半径改变的比值为

 

                         R(v)/ R↓μ=F↓μ / F(v) (6)

 

 对表象的中性粒子,改变磁场方向后它将发生偏转,其所受洛仑兹力变为Fμ。

 

   总之,在电场与磁场的相互作用中,“磁微子”沿电力线方向“爬动”以及导体切割磁力线,或是“磁微子”沿正电流方向在导体外按自旋取向等,都是电磁现象中最重要的粒子与场作用的方式。特别是在低温超导态下,上述反冲力的作用是一切现象产生的根源。

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