对“阿拉果铜盘实验”与“罗兰圆盘实验”的新思考

                                             司 今（jiewaimuyu@126.com）

      阿拉果铜盘实验与罗兰圆盘实验是电磁学中二个极其经典的电磁实验，历史上对这二个实验的物理解释虽众说纷纭，但归结一点就是都承认“电子转动可以产生磁”。

     阿拉果铜盘实验由法拉第的“电磁感应定理”将它升华到理论高度，而罗兰圆盘实验则常被用于解释星球自旋生磁现象，即所谓的“发动机”生磁原理。

      现在我重新“翻阅”这二个实验，是想从量子物理学角度对其再作更深层次的思考，以期“找出”磁现象产生的物理本质。

      附着在“阿拉果铜盘”和“罗兰圆盘”上的电子，从整体角度上看，它们与圆盘上的其他粒子构成了一个“刚体”，当这个“刚体”被外因转动时，就会产生磁现象，这就说明：“刚体”转动可以产生磁场；如果将这个“刚体”用“还原论”思想分割到一个最基本粒子，（如电子或光子），并将它视为一个微“刚体”，则说明电子自旋也会产生磁场——这就是量子力学所描述的电子“自旋磁矩”现象，由此我们可以推断，物质旋转会产生磁场，则磁场产生的物理机制就有二种，即自旋生磁和公转生磁。

      那么，如何给“自旋生磁”与“公转生磁”所产生的“磁”定量呢？现代物理学没有给出明确答案，这是磁学至今不能“独立”的根源所在。对此，我在“自旋场理论”中给出了一组“定量”公式，即：自旋磁量q_m=mω、公转磁量Q_m=mΩ.——不知道它们能不能为磁学的独立与发展插上“飞翔的翅膀”？

      在此，我拭目以待！拭目以待……

【附】：

                    阿拉果铜盘实验

    1824年，法国物理学和天文学家阿拉果（D. F. J. Arago）完成了著名的“圆盘实验”：将一铜圆盘水平放置在可以自由旋转的垂直轴上，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针。转动铜盘,磁针也跟着旋转，但稍有滞后；当转动磁针时，铜盘也跟着旋转，同样也稍有滞后。这个非凡的实验引起了当时许多物理学家的兴趣。阿拉果由此获得了1825年度的科普利奖。

    法国物理学家毕奥(J.B.Biot)认为阿拉果铜盘实验现象证明了库伦的“磁流体”理论。即铜盘内部存在不可称量的磁流体， 磁流体在铜盘转动时由于受到离心力的影响而分离了出来，形成了不同的磁极，磁极与小磁针的磁针产生引力和斥力作用，产生了该现象。但是，这不能解释为什么磁针先行旋转, 也能带动铜盘旋转。

    安培则认为这种现象恰好证实了他的电流理论。他做了一个实验，用一个通电螺线管代替小磁针与铜盘作用，得到了同样的效果，于是他认为铜盘在转动过程中，分离出的是电流体而不是磁流体， 这种电流和螺线管的电流互相作用，便产生了转动现象。安培的解释貌似正确。但他一直坚持电是不可称量流体，所以，不能自洽。

    英国物理学家巴洛（P.Barlow）和克里斯蒂（S.H.Christie）重复了阿拉果实验，用铁块代替圆铜盘与磁体作用，铁块同样可以旋转。

    1825年6月，数学物理学家巴贝奇（C.Babbage）和赫歇尔（F.W. Herschel）也重复了阿拉果铜盘实验，将各种非铁磁性物质插放在铜盘和磁体中间，发现对铜盘或磁体的转动并无影响，但当将软铁板置放在中间时， 磁体转动时， 铜盘却不转动了。铁板屏蔽了磁性。

    巴贝奇和赫歇尔解释“阿拉果铜盘实验”的机理是当铜盘或磁体转动，存在相对运动时，铜盘的物质微粒受到磁体的影响而在某一方向上产生特定排列，从而产生了“磁感受性”。磁体的两个磁极分别在铜盘相应的两个部分感应出了异名磁极。银的磁感应能力最强而铋最弱。并且，当铜盘存在裂口时，不会有感应发生，但用锡将裂口焊接后，感应恢复如初；而用金属颗粒填塞裂口时, 感应能力则会大大降低。但是仅仅产生磁性并不能形成转动现象，他们又解释圆盘内所感应出的磁极和磁体的磁极并不平行，而是稍微倾斜。铜盘的物质分子要花费一定的时间才能完成排列，这种时间上的滞后效应导致了圆盘的转动。

    巴贝奇和赫歇尔还是没有解释为什么金属的“磁感受性”总要在运动时才发生。

    1825年12月，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）开始研究“阿拉果铜盘实验”。

    1831年10月28日，他把在水平轴上的铅直活动铜盘一侧夹在马蹄形磁铁中间。转动铜盘时，法拉第发现在圆盘的两侧电流比较小，在圆盘的边缘和轴心电流最大，即由盘心到边缘的半径方向上产生了电流。只要圆盘不停地匀速旋转，产生的电流就稳定不变。从而发明了直流发电机，证明了他的电磁感应理论。

    11月4日， 法拉第将两块铜板的直边都与水银混合，穿过磁场时, 产生了感应电流；把一张纸夹在铜板之间时，就产生不了感应电流。原因是两块铜板如果不是一个完整的导体，构不成完整的回路，电流计不能工作。这就是巴贝奇和赫歇尔所发现的当铜盘有裂口时磁感应能力大大降低的真正原因。

    12月14日, 法拉第又利用地磁做阿拉果验。不用磁体，圆盘水平放置并旋转, (电流计)磁针的效应虽轻微但很明显, 并且可以通过(铜盘)复原并多次旋转(以使电流效果累积)等动作, 使磁针效应增加。再次说明了当阿拉果铜盘转动时, 是铜盘和磁体的相对运动产生了感应电流。

    法拉第通过实验揭示了阿拉果铜盘实验的本质，即磁体和导体之间的相对运动在导体内产生出了感应电流，而感应电流产生的磁力又会与磁体的磁力互相作用，从而使得铜盘或磁体转动。

    1832年2月27 日, 法拉第又在水平圆盘下方放置一个磁体的N极， 转动时，产生大量电流；然后再把另一个磁体的S极放置在圆盘的上方，转动时，得到了更多的电流；把S极改为N极，电流几乎没有了。

    法拉第还用实验证明了不同材质的金属盘的感应电流与金属导电能力成正比。由此分成了三种物质：一种是铁、镍物质，无论静止还是运动, 都会受到磁性影响；第二种是铜等金属，有相对运动时才产生感应电流；第三种物质无论静止还是运动, 都不会受到磁性影响。

    法拉第还实验出铁板会屏蔽磁体的磁性；铜板和其他一些金属板则不会屏蔽磁体的磁性。但运动的铜板或其他金属板则会屏蔽磁体的磁性。

    阿拉果和法拉第铜盘实验都被解释成电磁感应现象。这是大家都能够接受的。有些人混淆了实验过程和结果，是以讹传讹。铜盘在磁场里运动，自身产生电压，就是实验的核心。但我却对这些实验倒有另外的解释。

    1、电磁是一个不可分割的整体，电中有磁，磁中有电，互相垂直。由于介质的不同，显现的现象有所不同。在良导电体里显现的是电现象，在良导磁体里显现的是磁现象，在良导电磁体里显现的是电磁现象，在非良导电磁体里显现的是非电磁现象。不是电感应磁，磁感应电，而是形影不离。感应是电磁没有统一以前的说法。电磁统一以后就不应该再用感应这个词了。

    2、巴贝奇和赫歇尔解释“阿拉果铜盘实验”的机理是当铜盘或磁体存在相对运动时，铜盘的物质微粒受到磁体的影响而在某一方向上产生特定排列，从而产生了“磁感受性”。他们的解释很有道理。实际上，铜盘进入磁场时，其分子会自动在某一方向上产生特定排列，就是沿着磁场方向排列。当然，铜盘上就有电压了。但是电流的方向不是径向的，也不是切向的，而是两个方向的组合。所以，才会有铜盘裂口实验现象。

    3、我的电磁理论是电磁是一种东西，即电磁场现象。如果一定要用电磁场力线，那么电场力线在旋涡面上，为径向、切向的组合方向；磁场力线在旋涡轴上，为抛物线方向；电磁场力线则是电场力线、磁场力线的组合，无头无尾。电场力线逐渐移向两极变成磁场力线；磁场力线逐渐落向赤道变成电场力线。想想在陀螺上缠线是什么样子，就能够理解电磁场力线了。

http://bbs.sciencenet.cn/thread-3105969-1-1.html

罗兰实验：百度知道：http://zhidao.baidu.com/question/143120734.html

美国科学家罗兰把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上，然后使圆盘绕中心高速转动，在盘的附近用小磁针来检验运动电荷产生的磁场，结果发现小磁针果然发生了偏转，而且改变盘的转动方向或改变电荷的正负时，小磁针的偏转方向也改变，磁针偏转方向跟运动电荷所形成的电流方向间的关系同样符合安培定则。

以上实验证明了移动电荷可以产生磁场。

罗兰实验所用的仪器（下图所示）是由一个直径为21.1厘米，厚度为0.5厘米的硬橡胶制成的圆盘构成，它能绕一个垂直轴以每秒61圈的速度转动，盘的两面在距0.6厘米处固定直径为38.9厘米的两玻璃板，玻璃板的中心开一直径为7.8厘米的圆孔，硬橡胶盘的两面都镀上金，两玻璃板的内面有镀金的圆环，外径为24，厘米，内径为8.9厘米，玻璃板的镀金面可以面向或背向转动的圆盘，但一般都是面向圆盘，这样做可以使问题更易计算，起电时没有误差，外边的板通常接地，中间的盘和一电池连接，接法是将一个尖端置于距盘的边缘三分之一毫米以内的地方，并指向盘的边缘，因为边缘是宽的，除非边缘和尖端之间有电位差，尖端将不会放电。运行时，橡胶盘转动，并产生磁场，被指南针感应到，实验时指南针吊在一个用弱磁性物质制成的透明管内，以排除空气扰动的干扰，同时用来吊指南针的丝上装有一面微型小镜子，使用时将一束很细的平行光束射向镜子，以镜子折射光线作为指针指示指南针的偏转度，做这个实验时主要是提高指南针的灵敏度，且不能让橡胶盘上的电荷被其他地方的电荷中和掉。

                    http://s3/mw690/d288bb3bgx6BEg0XlFo02&690

                罗兰实验组成图来源 http://zhidao.baidu.com/question/143120734.html