今天在科学网上看到一位名叫李铭的博文，博文题目是“导线上的能量传输”。李铭老师是数理科学博士，他和张操老师正在讨论直流电能量传输问题，有很好的学养。我曾在张操老师博文下写了三个跟帖，今天在李铭老师博文下写了三个跟帖。这个问题正好与我正在撰写的《易学宇宙学》“第3章：基本相互作用”有关，现将李铭老师博文和我的跟帖抄录如下，供网友参考。

导线上的能量传输（李铭）

最近张操老师发表文章，质疑电磁学中电流的能量传输机制。张老师还对大学老师对这疑难问题的漠视表示惊讶。

张老师认为，能量是在导线中传输的，由电子携带。张老师给出了一个能量传输的功率公式P=J⋅E，其中J 是电流密度，E是导体内部的电场，如下图所示。我觉得，张老师这个说法是非常错误的。

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有一个很简单的论证，可以证明张老师的说法不成立。考虑上图中黄色的导线，假设电流恒定为I。当导线的电阻逐渐减小到接近0， 则导线两端的电压逐渐减小到接近0，于是导线内部的电场E 也减小到接近0，这样张老师的功率公式给出的能量传输逐渐减小到接近0。于是荒唐的结果出现：越优良的导线，传输电能的能力越低，超导线完全不能传输电能。

很显然，张老师的这个功率公式给出的不过是导线上的能量消耗，而不是导线上的全部能量传输。可以证明，张老师的功率公式就是p=UI/V，这里U是导线两段的电压，V是导线的体积. 这个p 正是单位体积导线上的欧姆损耗。

为了解释电流的能量传输，必须考虑电流产生的电磁场，如右图所示。

电流在导线周围产生环形磁场B，导线表面上的净电荷又向导线外产生电场E, 组成坡印廷矢量 S=E×H， 给出能量传输的能流密度（单位时间单位面积上通过的能量）。所以，电能的确是在电流周围的电磁场中传播的。

导线内部也存在能流，是沿着导线径向向里的。这个能流在导线中逐步被电阻转化为热。这样的能量传输机制的确是不容易被直观接受的。我曾要学生做实验来检验这样的能量传输，但学生没能设计出可行的实验方案。

我的跟帖

李铭老师的简略图证明，用玻印亭能流解释电能传输的方向是对的，电工学根本无法解释。电动力学需要进一步深入思考的是，电流周围磁场的产生机制。如果垂直于导线的电力线E不连续移动，导线周围是不可能出现磁场的。那人们就要问，这个移动的电力线是如何形成的呢？这可能要牵涉到电荷结构和量子力学。

博主回复(2014-10-4 12:45)：不需移动。这个磁场是电流产生的。

第二跟帖

从宏观看，电力线似乎不移动，但电力线是与电荷对应的，从微观看，电荷移动，对应的电力线也跟着移动。电流是电荷移动形成的，有电荷移动才有磁场，相当于有电力线移动才能产生磁场。那么，这个电流的速度是多少呢？如果不能说清楚电流的速度，将会遇到电工学解释电能传输同样的麻烦。

博主回复(2014-10-4 15:26)：电流跟电荷什么关系倒是可以研究一下。

最后跟帖

法拉第曾深情地对麦克斯说：“你不要仅停留在数学上来解释我的观点，你应该突破它。” ——这是电磁学鼻祖给世人留下的心愿，今天重温法拉第这一心愿，是想唤起人们对电磁场深层结构认识的追求。

后语

现代物理学的“场论”存在许多弊端，主要是场中的物理本体几乎全部被数学符号和场属性取代。从麦克斯韦电磁方程组到玻印亭矢量，从爱因斯坦场方程到标准规范场，都没有物理本体，脱离了物理本体的属性，就无法演绎物理过程。

这种情况过去主要反映在相对论、量子力学的场论中，近数十年已浸及电磁学。从学养很好的李铭老师“电流跟电荷什么关系倒是可以研究一下”的回复看，主流理论界对这个问题并没有引起足够重视，目睹这些不成熟的理论在青年学子中渲染，笔者试图用法拉第的心愿提醒主流学者突破这个难题，但未见有回复，真是很无奈。可见，数学场论已根深蒂固，撼动它实属不易。

10月8日更新

在李铭老师博文后看到有一位名叫刘全慧老师的跟贴，对电子的存在方式有很好的新认识，我随即写了一个如下跟贴：

刘全慧老师说“任何导体系统都是电容系统，只要存在电势差，一定有净电荷！对于一个不变化的导体系统，这个净电荷是不移动的，故曰静电荷。”——刘老师说得非常对，这个问题与李铭老师和张操老师讨论的问题是有关系的，说明对“电子”的存在形态有了突破性认识。

李铭老师回复：他不能回应我的质疑，还能对？

今天我又写了一个跟贴，用我国物理学泰斗冯端院士的观点，指出理论模型的适用范围。跟贴是这样阐述的：

我国物理学泰斗冯端院士在谈到理论适用范围时曾说：“对于特定粒子构成的系统，可以采用量子简并温度（即粒子的德布罗意波长等于粒子的平均间距对应的温度）来区分。对于由电子构成的输电系统，量子简并温度T大约在10的五次方K，表明处理电子系统的问题，离不开量子力学。

10月9日更新

今天有一位学养很高大学教授在我昨天的跟贴下写了一个评论，现摘录如下。

沈老师评论：

TO：70楼   我的补充：你这段话是对金属价带电子而言，不是对导带电子而言。导带电子，还是可以用经典力学的。兼并温度高，意味着费米能高，意味着电子浓度大，电子之间距离远远小于德布罗意波长，于是德布罗意波长显得长，于是要用量子力学。

我的回复：

TO：jianqishencn   谢谢沈老师的评论。我提出这个新观念的本意，是想对自由电子和价电子的结构和行为进行重新认识。现代电磁学中对这两种电子的结构和行为是没有区分的，导带的自由电子密度要比价带电子密度高得多，能量传输完全依靠导带电子，用经典理论处理，即使玻印亭矢量介入，也很难解释电能以光速输送。我一直在网上寻找有兴趣的学者对此进行深入研究。我觉得自由电子是无核电子，价电子是有核电子，两者的结构和行为有很大区别。分清了两种电子的不同结构，电能传输难题就能迎刃而解。张操老师提出这个质疑很有价值，而要解决它，按照西方学者的思维习惯，可能要走很长一段路。中国学者处理它相对来说比较容易，只要静心讨论，一定会有收获。您如有兴趣，可更深入一些交流，我的联系方式张操老师知道。

10月10日更新

沈老师请张老师转发一个邮件，提出对我所讲的“能量传输完全依靠导带电子，用经典理论处理，即使玻印亭矢量介入，也很难解释电能以光速输送”不太明白。

我的回复如下

电子由“弦线”量子自旋形成，自旋相速度等于C。电子的结构方式有两种，一种是价电子，在宇宙诞生时生成，是构建原子的基本粒子。价电子生成时，为确保角动量守恒，一部分弦线量子生成自旋核，另一部分弦线量子生成反旋自洽场。故价电子是由电子核和自洽场两部分组成，结构十分稳定。

    另一种是自由电子，此类电子在任何时候都可以生成。这是宇宙中进行能量交换的一支宏大商贾队伍，遍布宇宙各个角落，太阳系（包括其他发光恒星系）特别多。自由电子是无核电子，由于角动量不平衡，当外部对它的束缚力不足于控制自旋弦线的离心力时，自旋弦线就会将旋向动能蜕变为辐射量子（光子）的飞行动能——电磁能流。

    物体中都有被束缚的自由电子，这就是日常人们能感觉到的“静电”。导体中的自由电子主要来自于电源，没有势场推动时，它待在与负极等势的导体中，一直到电源开关为止，按照高斯定律分布（通常电气设备将负极接地，用正电荷衡量势差，两者是等价的）。回路合闸，正负极接通，静电荷立刻蜕变为辐射量子，在导线中以光速C飞行（还有一些具体细节，从略），其飞行能流可用玻印亭矢量计算。证实这一论点不难，观察线路短路时电子以“光子”形态出现就可以理解。

   以上论点摘自我正在撰写的《易学宇宙学》，仅供参考，有疑问之处可继续讨论。