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SI基本单位中安培定义的两种可能缺陷

投稿时间:2012-04-12 10:46 投稿人:杨正瓴 【字号: 访问量:

(天津大学电气与自动化工程学院,天津市  300072)

摘要:现在SI基本单位安培定义中包含两个无穷,这在现实世界中是难以实现的;并且没有对两根平行导线中的电流方向做出规定,因此是有缺陷的。在目前的主流物理学理论中,如狭义相对论、广义相对论、超弦、M理论等中,电荷是个不随参照系变化的量。为解决现有安培定义中的缺陷,两种可能的建议为:(1)直接用电荷作为基本物理单位,而不再使用安培。(2)保留目前的安培作为基本单位,而将安培定义修改为合适的电荷-时间的比值。

 

 基本物理单位应该具有极高的稳定性、可校准性等优越性能。目前国际单位制SI中有7个基本单位:米m、千克kg、秒s、安培A、开尔文K、摩尔mol、坎德拉cd。其中的米、秒、开尔文、摩尔等已经采取了相对稳定的微观物理定义,而千克、安培等仍然是宏观定义。千克的定义目前正处在讨论中。这里,我们认为,安培的定义存在两种严重缺陷,更需要做出修改。

1. 现有SI中安培定义的两种可能缺陷

安培是一恒定电流强度,若保持在处于真空中相距1米的两无限长而圆横截面积可忽略的平行直导线内,则在此两导线之间产生出的力在每米长度上等于2´10-7牛顿。

这是目前国际单位制SI中对安培A定义的实质。

显然,这里存在以下两类严重缺陷。

1.1 两个无穷

“无限长”、“圆横截面积可忽略”分别是在现实世界中难以实现的无穷大和无穷小。这样的定义,显著增大了安培定义在现实世界中实现、进行标准单位校准的困难性。

并且,这个定义还借助了力和距离的测量。所有这些,都使得现有安培定义的稳定性、可校准性受到较多的限制。

1.2 平行导线中的电流方向

在SI目前对安培的定义中,没有规定两颗平行导线中的电流方向。这等于承认,无论这两个电流是相同方向,还是相反方向,其间的磁力作用大小是不变的。

值得注意的是,两个沿平行线以速度v匀速运动的点电荷,会由于运动方向的不同,使得这两个点电荷之间的作用力也是不同的。如图1所示。图1(a)中,相同方向运动的两个点电荷,由于它们之间是相对静止的,因此二者之间只有库仑力FC。地球上对库仑定律的高精度实验,证实了这个观点。尽管相对于该实验装置运动的观察者(参照系)广泛存在,如汽车、火车、飞机,乃至人造地球卫星、宇宙飞船,但它们的存在,并没有影响点电荷之间的库仑力FC

图1(b)中,点电荷的运动方向相反,除了库仑力FC,还存在由于各自的磁场引起的洛伦兹力FL。在现有的狭义相对论、广义相对论、超弦、M理论等中,电荷Q是个不随参照系变化的量,从而库仑力FC没有变化,而由于点电荷之间相对运动附加的洛伦兹力FL,却是随速度v的大小、方向变化的。

即这两个匀速运动的点电荷,由于运动方向不同,其间的相互作用力是不同的。

图1

图1 两个沿平行线匀速运动的点电荷之间的作用力,可以是不同的。(a) 如果运动方向相同,两点电荷之间相对静止,只有库仑力FC。(b) 如果运动方向相反,两点电荷之间除了库仑力FC外,还有洛伦兹力FL

早在1822年法国科学家安培就发现了平行长直导线之间,如果电流方向相同则相互吸引,若电流方向相反就相互排斥。但是,在其它条件不变的情况下,电流方向相同时导线间的相互吸引力FA,和电流方向相反时的排斥力FR,是否严格相等,即FA = FR是否严格成立?有没有高精度的物理实验对此进行过检验?1822年安培的实验结论不用怀疑,但是其精度到底达到怎样的水平?

 特别是当导线越来越细的时候,是否会有量子现象导致的更复杂的作用出现?有消息说,在当前的集成电路设计中,细连线(导线)中的量子作用,需要被考虑到。

 就目前的经典电磁理论,安培力(磁场对载流导线的作用力) ,和洛伦兹力(磁场对运动电荷的作用力)的本质是一样的。这样,假如图1中的点电荷被一个均匀分布的密集的点电荷序列代替,则点电荷序列间的磁力作用,仍然与运动方向和速度有关。

由于宏观导线是电中性的,两个长平行载流导线之间只有磁力作用,而没有库仑力作用。

2. 两种可能的解决方案

由于在目前的主流物理学理论中,如狭义相对论、广义相对论、超弦、M理论等中,电量(爱因斯坦在狭义相对论中称之为“电荷的量”)Q是个不随参照系变化的量,为解决现有安培定义中的缺陷,应该采用特定条件下微观的电荷来解决。两种可能的建议为:

(1)直接用电荷Q(库仑C)作为基本物理单位,而不再使用安培。

如定义特定能量状态下的电子电荷或质子电荷为基本物理单位,或者是特定条件下一定数量的电子(质子)的总电量Q为基本物理单位。这样的好处是,电荷Q(库伦C)的作用,十分类似质量(千克)的作用,因为库仑定律和万有引力定律的形式是一致的。即:

库仑定律:

万有引力定律:

这里,Q是点电荷,m是质点,r是两个点电荷Q或质点m之间的距离,e0是真空介电常数,G是万有引力常数。 

(2)保留目前的安培作为基本单位,而将安培定义修改为合适的电荷-时间的比值。

电流I(单位:安培A)、电量Q(单位:库仑C)和时间t(单位:秒s)之间存在关系:,即,1安培(A)等于1库仑(C)除以1秒(s)。即在特定状态下,可以直接定义安培,而不再借助磁场的作用。

无论采用以上两种方式中的那种,都回避了力和距离等的不必要测量,都会有效增加安培定义的稳定性,实际操作应用中的可校准性。 

 

参考文献:

[1] 杨仲耆. 大学物理学(电磁学)[M]. 北京:人民教育出版社,1980.

[2] 冯慈璋. 电磁场(电工原理Ⅱ)[M]. 北京:人民教育出版社,1979.