验证磁力就是库仑力的实验方案
投稿人:全息物理 投稿时间:2024.05.12 18:03 访问量:

[文章摘要]:本人近期连续编写了多篇与磁力有关的文章,并明确指出:磁力只是诸多电荷在特殊组合与运动方式下的库仑力的矢量叠加结果,并列举了不少支持该结论的证据。本文进一步提出验证磁力就是库仑力的实验方案。希望有条件的专家与朋友们能参考本实验方案的相关实施,以期早日确认磁力就是库仑力的事实和本人的推断。

一、实验方案的理论基础

1、平行直导线间的磁力计算公式

 

如上图一所示:两根无限长平行直导线间每单位长度的磁力F与它们之间的距离d及电流I1、I2的关系式为:         

上式中的磁力方向为:两根导线中的电流方向相同时为吸引力、相反时为排斥力。

2、运动点电荷之间的库仑力计算公式

在本人的《以原子为基础的动电荷之间的库仑力与磁力的关系分析》(https://www.toutiao.com/article/7348660275045302824/)一文中给出了相关公式:

大量物理现象与实验结果表明:电荷之间存在的库仑力的相互作用速度并非是无穷大的,而是有限的,很可能与真空中静止光源产生的光之速度C有关。因此,本文拟以真空中静止光源产生的光之速度C作为静止电荷之间才存在的库仑力的相互作用速度来讨论运动电荷之间的库仑力。而库仑力的作用速度是以每个电荷为参照物的,即相对运动的电荷之间才存在的库仑力的相互作用速度应与电荷的相对运动速度叠加。如下图二所示:当t=0时,位于A点的电荷Q静止,而位于相距R的B点上的电荷q以速度V匀速直线远离时,两个电荷之间的库仑力为:

 

 

其中:t'=t-(R+Vt)/C,代入上式并整理后可得:

 

由(公式2-1)可知:两个相对远离的电荷之间存在的库仑力比相对静止时会更大一些。这是因为任意t时刻电荷所受到的库仑力是更早一些的时刻t'距离时的库仑力。

3、两根载流的平行直导线间的库仑力计算公式

如下图三所示:有两根相距d的无限长直导线,在导线内没有电流时,它们的原子中的原子核与电子虽然仍然围绕着共同的质心作圆周运动。同时,因热运动原因,原子也会在质心附近以一定的频率热运动。但因原子中的最外层电子向各个方向运动的数量基本相等,所以在宏观上就没有电流,也就没有宏观上的最外层自由电子的定向位移。但当导线两端施加一定的电压后,导线中就会有电流,也就是原子中最外层电子的定向位移。但其所对应的原子核在宏观上仍然相对导体基本静止。为了方便讨论问题,我们假设当导体中没有电流时,导体中的自由电子与其所对应的原子核都是静止的;而有电流时,导体中的自由电子会以速度V沿导线定向移动,而其所对应的原子核仍然相对导体静止。

 

当导线I和导线II中分别存在电流I1和I2时,则它们中的部分自由电子就会定向运动,假设导线I和导线II中的自由电子运动速度分别为V和U,由两根导线间存在四种库仑力,它们分别是:导线I中的运动的自由电子与导线II中的运动的自由电子及其对应的静止的原子核之间的库仑力、导线I中的静止的原子核与导线II中的运动的自由电子及其对应的静止的原子核之间的库仑力。因此,导线I单个运动的自由电子/对应的原子核和导线II单个运动的自由电子/对应的原子核之间的库仑力的合力F(详见《以原子为基础的动电荷之间的库仑力与磁力的关系分析》(https://www.toutiao.com/article/7348660275045302824/)一文中的推导过程)为:

 

4、磁力很可能是库仑力的特殊形式的相关证据

在本人的《磁力只是不同组合与运动状态下多电荷之间存在的库仑力的详细认证》(https://www.toutiao.com/article/7360220640470696487/)、《真空磁导率与库仑常数之间的内在关系及其物理意义探讨》(https://www.toutiao.com/article/7352413895493190171/)和《带电粒子的运动与组合方式是决定诸多物理现象与实验结果的原因》(https://www.toutiao.com/article/7344640357612765715/)等文章中对磁力是库仑力的相关证据进行了较详细的列举与认证,在此不再详述。

 

二、验证磁力就是库仑力的实验方案

我们可以考虑从以下两种途径来验证磁力就是库仑力:

一是在未加磁场的云室中,进行两束平行的电子束之间的相互作用实验;

二是用一束电子束代替直导线,进行类似两根直导线间的磁力相互作用实验。

1、在未加磁场的云室中进行两束平行电子束之间的相互作用实验方案(方案一)

本方案相当于以电子束代替导线进行两根平行直导线的磁力实验:我们可以将一束电子束视为一根具有相同电流的直导线。按照有电流的直导线会产生磁场(如果电流真的能产生磁场的话)的共识,电子束会使附近的其他具有电流的直导线/带电粒子受到磁力相互作用的现象分析:两束平行的电子束间也应该存在磁力相互作用。但实际上可能并不存在磁力相互作用,而仅存在库仑力相互作用。也就是说:在此种情况下,仅存在(公式3)中的第一项相互作用力。

由于目前情况下,不能直接观测电子及电子束的运动状态,只能通过云室来间接观测。我们可以进行四种以上的实验:一是两束同速、同强度的电子束平行、同向、同时射入云室;二是两束同速、同强度的电子束平行、同时、反向射入云室;三是两束异速、同强度的电子束平行、同向、同时射入云室;四是两束异速、同强度的电子束平行、同时、反向射入云室。

可以预测:当两束电子束靠得较近时,同向、同速的电子之间存在静止状态下的库仑力,会相系排斥。即两束电子束在云室中的间距会随着射入的距离不断增大,而不会出现两根平行直导线时的同向电流时相互吸引/间距不断变小;其它情况下的相互作用规律可以利用运动电荷之间存在的库仑力的计算公式进行计算,在此不详述。

2、用一束电子束代替一根直导线的两根直导线间的相互作用实验方案(方案二)

本方案相当于将一束电子束视为一根具有相同电流的直导线,它应该在其周围产生相应的磁场(如果电流真的能产生磁场的话),并与附近有电流的直导线间存在磁力相互作用。但实际上,可能仅存在(公式3)中的第1、3项库仑力,而第2、4项(两根直导线中相对导线静止的原子核之间的库仑力和原子核相对另一根直导线中运动电子之间的库仑力)因电子束中无原子核的存在而没有了。也就是说:另一根直导线与电子束之间仅存在两项库仑力:电子束中的电子与另一根导线中静止的原子核之间的库仑力、另一根导线中的运动的电子与电子束中的电子之间的库仑力。

在实测恒定电流直导线间磁力实验装置中,将其中的一根直导线的一部分更换为同强度电流的电子束后,实测没有更换的另一根直导线的受力情况。在其它实验条件不变的情况下,按目前的磁力理论,另一根直导线受到的磁力应该不会发生变化。但按照本人的观点,另一根直导线受到的磁力会发生很明显的变化(由原来的四个库仑力分力变成了二个库仑力分力的矢量叠加)。

 

三、实验结果预判和物理意义

1、方案一可能的实验结果

1.1、无论射入云室的两束电子束的速度、方向如何,电子束间的距离会不断增大;

1.2、射入云室的电子束间的距离会随电子束的射入速度、方向变化,且方向相同时距离变小、方向相反时距离变大;

1.3、两束电子束间的距离不会随射入速度和方向变化。

2、方案二可能的实验结果

2.1、另一根直导线受到的磁力会因更换电子束而变化;

2.2、另一根直导线受到的磁力不会因更换电子束而变化。

3、实验结果的物理意义

3.1、如果出现方案一中的第一种情形,则证明电子束之间仅存在库仑力,不存在磁力;

3.2、如果出现方案一中的第二种情形,则证明电子束之间仅存在磁力,不存在库仑力;

3.3、如果出现方案一中的第三种情形,则可能证明电子束之间的距离不够近或相互作用总里程不够;

3.4、如果出现方案二中的第一种情形,则证明磁力很可能只是特殊情况下的库仑力的矢量叠加结果;

3.5、如果出现方案二中的第二种情形,则证明电子束与直导线间存在磁力,不存在库仑力。不能证明磁力就是库仑力。