孤立球形导体内部净电荷分布规律的论证与计算

赵菊初

（山西大同第一号信箱，山西，大同，037036）

摘要  以孤立球形导体为例，通过数理定量计算推导出了其中电荷密度分布的计算公式。从而证明至少对于球形导体来说，其净电荷并不像现在流行并得到公认的不成文的“定律”那样，认为都只能集中分布在其表面。而且证明电荷密度向内衰减的速率也并不快；例如，在深度为球体半径的2分之1处，电荷密度将降为表面密度的3分之1左右。照此类推，该“定律”对于非球形导体也不会完全适用，只是电荷密度向内衰减速率不同且更为复杂而已。实践证明，上述规律的发现对于地球及太阳磁场活动机理的研究可起到至关重要的作用。

关键词：孤立球形导体 净电荷 电荷密度 磁场极性倒转

现在有一个不成文但却得到公认的“定律”，认为孤立导体的净电荷（即正负电荷相消剩余的电荷，以下简称“电荷”）由于相互排斥而只可能集中分布在其表面。果真如此的话，太阳内部就不可能存在电荷，因为它就是由等离子体组成的孤立良导体。那么，太阳光球层中黑子周围很多已观测到的磁场活动现象就无法得到合理解释。所以笔者在探讨太阳有关活动成因时，被迫对该“定律”进行重新审视和研究；最后通过定量计算发现，这种“定律” 至少不适用像太阳这种球形导体，对非球形导体也不完全适用。

上式的计算结果表明，在孤立球形导体中，在半径为其外半径的2分之1处，电荷密度将降为表面电荷密度的3分之1左右。

    在上述球形导体中电荷的分布状态，既符合电荷之间斥力平衡的条件，又可使其处于较低电力势能状态。如果所有电荷都分布于导体表面，电荷之间的距离就会大大缩小，电力势能就会与其距离成反比增大，斥力则会与距离的平方成反比增大；这一方面将与物质都有趋向低能状态的普遍自然规律相违背，另一方面其中电压必然随之升高，电荷必然会向内部电压较低的区域迁移，否则就无法达到电荷斥力的平衡。由此可见，以上的理计算结果也是与基本物理概念完全相符的。

1.   结束语

我发现很多介绍库仑力计算公式的资料中，都明确指出该公式只适用于真空环境下；但我始终找不到在其它介质中库仑力的计算方法。如果在其它介质中只影响其大小，而不影响其有无的话，则对本文的计算结论和判断的影响不大。如果只影响静电力常量K的大小，则对最终计算结果没有任何影响，因为在计算电荷密度的（12）式中，K已被消去。

应该指出，本文的计算结果是很难用实验来验证的；因为我们对于导体深处的电荷只能从外部测定它的电场强度来感知它的存在，但电场强度与电荷大小成正比而与距离的平方成反比，而对其距离我们目前还无法测定，故深处电荷的大小也就无法知晓。这就说明实验方法的局限性，也说明虽通过了长期实验与研究为什么仍得出了这种完全违反客观规律的“定律”。

不管怎样，以上计算足以说明现有“定律”至少对球形导体是不适用的，对于非球形导体也不能说电荷都集中分布于表面，只是电荷密度向内部衰减的规律不同且更复杂而已。何况，被称为就在我们身旁的大型等离子体实验场的太阳上，如果内部不存在电荷，许多确证内部存在的磁场活动现象，就根本无法作出别的解释；所以这种情况也应算作本文理论正确性的旁证。

以上的计算与论证也应验了牛顿和爱因斯坦的共同观点，即：“仅凭经验与实验来获得理论，是不可思议的”。我认为要获得具有普遍指导意义的理论，只有提高到理论高度来认识，在观测或实验数据约束与检验条件下，进行严密深入的理论分析计算才可能获得；在科学发展史上，这样的事例数不胜数。这也说明，被绝大多数人赞成的观点不见得就一定是正确的；因此，我很赞赏诺贝尔奖获得者美藉华人丁肇中教授的一句名言：“在科学问题上，要多数服从少数”。

我的研究实践证明，本文的发现，不仅为解释太阳磁场活动形成的机理创造了条件；也对计算地球带电量及解释地球磁场与其周期性倒转的成因，起到了至关重要的作用。据观测得知，地球的确带有净负电荷，可惜根据测得的电场强度及现有“定律”算出的地球总带电量很小，与解释现在地球磁场强度的需要差得很远，故电荷旋转形成地球磁场的理论被彻底否定；但按现在测得的电场强度及本文观点来估算，地球所带总电荷至少比以往计算值大8个数量级以上，完全足以解释地球磁场的成因。因此，希望本文的论证能起到抛砖引玉的作用；殷切希望国人不要盲目迷信科学权威而妄自菲薄，并以这一不起眼的发现为突破点争取实现某些理论上的更大发现与突破。

参考文献

[1]  张民生,周昺路,孤立导体表面电荷分布与表面曲率的关系,上海师范学院学报,1983第4期

[2]  徐桂芳,积分表,上海科学技术出版社，1953（P7、P10、P11）