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
投稿人:全息物理 投稿时间:2024.03.31 14:59 访问量:

[文章摘要]:麦克斯韦方程组可推导出真空磁导率与真空介电常数之积的平方根的倒数等于真空中的光速,但其物理意义并不清晰,而真空介电常数与库仑常数存在倒数关系。因此,真空磁导率与库仑常数之间应该也与光速有关。研究两者之间的关系可能揭示其真实的物理意义。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》一文中似乎已经得出了真空磁导率与库仑常数之间的关系,本文拟就此进行更深入的探讨。

一、真空磁导率与库仑常数之间的关系的定性分析

1、真空磁导率的定义和数值

1.1、真空磁导率的定义:在真空中,两根相距1米的、电流强度均为1安倍的平行无限长导线之间的相互作用力(电流方向相同时为吸引力、电流方向相反时为排斥力)。

1.2、真空磁导率的数值:μ0=4π×10-7N/A2=4π×10-7NS2/C2。式中:N为力的单位:牛顿、A为电流单位:安倍、S为时间单位:秒、C为电荷量单位:库仑。

2、库仑常数的定义和数值

2.1、库仑常数的定义:在真空中,两个相距1米的、电荷量均为1库仑的点电荷之间的相互作用力(电荷同性时为排斥力、电荷异性时为吸引力)。

2.2、库仑常数的数值:K=8.988×109Nm2/C2.式中:N为力的单位:牛顿、m为长度单位:米、C为电荷量单位:库仑。

3、真空磁导率与库仑常数之间的关系的定性分析

3.1、从两者的计量单位分析

对比以电荷量单位库仑为计量单位的真空磁导率与库仑常数计量单位可以发现:两者之间都存在力的单位牛顿和电荷量单位库仑力,但磁导率多了一个时间单位秒的平方、库仑常数多了一个长度单位米的平方。因此,如果用真空磁导率除以库仑常数,则会得到速度单位的平方(m/S)2

3.2、从两者的数值比值分析

真空磁导率除以库仑常数:K/μ0=8.988×109/(4π×10-7)=8.988×1016/4π(m/S)2

按照真空介电常数与库仑常数间的关系:K=1/(4πε0),所以就有真空介电常数与真空磁导率之积的倒数=8.988×1016(m/S)2=C02。式中C0为真空中静止光源产生的光之速度。

3.3、真空磁导率与库仑常数的比值为何与光速有关?

因为真空磁导率是运动电荷之间才存在的库仑力相互作用,自然就包含了因电荷的运动所带来的与速度有关的因素。而库仑常数只是静止电荷之间才存在的库仑力相互作用。因此,两者的比值与速度有关就完全可以理解了。

二、真空磁导率与库仑常数之间的关系的定量分析

本人在《以原子为基础的动电荷之间的库仑力与磁力的关系分析》一文中,假设磁力是由运动电荷产生的库仑力,并推导出了真空磁导率与库仑常数之间的关系为:

式中:K为库仑常数、C0为真空中静止光源产生的光之速度、V为导线中的电子移动速度、N为导线电流单元内的移动电子数量,即与单个移动电子处于同一截面位置上的、移动的电子数量。

根据(公式1)可得:

 

如果令VN2/4=C0,则(公式2)可修改为:

 

也就是说:如果无限长直导线中单个移动电子同截面上的移动电子数量的平方与电子移动速度之积的四分之一正好等于真空中静止光源产生的光之速度的话,则库仑常数与真空磁导率的比值就会正好等于真空中静止光源产生的光速度的平方除4π。

那么,实际情况会不会有C0=VN2/4呢?

目前一般认为:导线中的电子移动速度为10-4米左右,则有:

N2=4C0/V=40000C0

则有:N≈3462946(个)。也就是导线中处于同一截面上的移动电子数量约346万个,这是完全有可能的。

但导线中的移动电子的速度应该不会这么小,其速度应该与组成导线的原子最外层电子绕原子核的速度相近才正常。也就是说:导线中移动电子的速度应该在每秒1200千米左右。在此种情况下,N值应该为:N2=4C0/V=C0/300。则:N≈1000(个)。这种情况可能性应该更大些。

如果以上推断和分析符合实际,那么,电流强度相同但直径不同的直导线之间的磁力大小可能不同。即直径越大、同截面上的移动电子数量越多、磁力越小。有条件的朋友不防用此方法检验一下以上结果。

三、真空磁导率与库仑常数之间内在关系的物理意义

从以上分析可知:真空磁导率与库仑常数之比与光速的平方相关,准确地讲,很可能是与电荷之间才存在的库仑力在真空中的传递速度和电子在导线中的定向移动速度之积相关。这一内在关系表明,所谓的磁力很可能只是众多电荷在不同组合和运动方式情况下的库仑力的矢量叠加结果。所以,真空磁导率与库仑常数之间存在的内在关系具有以下物理意义:

1、真空磁导率和真空介电常数均不是真空本身存在的物理特性,而是电荷之间存在的库仑力相互作用的表达方式之一;

2、电荷之间只存在库仑力相互作用,并不存在所谓的磁力相互作用。所谓的磁力只是运动电荷群体之间存在的库仑力的矢量叠加结果;

3、真空中并不存在所谓的电场和磁场,更不存在所谓的变化的电场感生磁场或变化的磁场感生电场等所谓的电磁感应现象。所谓的变化的电场和磁场都是变化的电荷产生的;

4、所谓的光速应该只是电荷之间才存在的库仑力的相互作用速度,即使是在真空中,其速度也仅相对相互作用的电荷基本恒定。当电荷相对运动时,光速也会随之变化。这也是光行差常数和斐索流水实验结果所揭示的规律;

5、这一发现可帮助人们从无理由地接受由麦克斯韦方程组推导出来的光速的平方等于真空介电常数与真空磁导率之积的倒数的结果,到很理性地理解真空介电常数与真空磁导率之积的倒数等于光速的平方(实际上仅等于真空中静止光源产生的光之速度的平方)的规律。