以原子为基础的动电荷之间的库仑力与磁力的关系分析
投稿人:全息物理 投稿时间:2024.03.21 12:42 访问量:

[文章摘要]:磁力仅存在于以原子为基础的客观实体之间,而原子中的原子核与核外电子都是在不停地相对运动的。因此,研究运动电荷之间的库仑力是很有必要的。这有可能揭示磁力的本质因素。经本人研究发现:磁力很可能只是以原子为基础的导体内存在电子定向移动时,运动/静止组合电荷(电子与原子核)情况下的库仑力的矢量叠加结果。这一结论具有颠覆性意义,欢迎有兴趣的朋友共同参与讨论和进一步研究。

 

一、运动电荷之间的库仑力的可能规律分析

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。如下图一所示: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:

 

由(公式1-1)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。

二、两根平行且无限长直导线中运动电荷之间存在的库仑力

如下图二所示:有两根相距L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。

 

1、当两根导线中均无电流时,导线之间不存在库仑力

在此种情况下,导线I中的电子和原子核对导线II中的电子和原子核所施加的库仑力的大小相等但方向相反,也就是相互抵消了。因此,导线之间不存在库仑力。

2、当两根导线中的一根存在电流,另一根没有电流时,导线之间也不存在库仑力

在此种情况下,有电流的导线中的运动电子和静止的原子核对没有电流的导线中的电子和原子核施加的库仑力的大小仍然相等且方向正好相反,也会相互抵消了。因此,导线之间不存在库仑力。

3、当两根导线中均存在电流且方向相同时,导线之间存在库仑力

 

如上图三所示:假设导线I中的电子以速度V从左向右运动,导线II中的电子以速度U也从左向右运动时,导线I靠左边A点处的电子与原子核与导线II靠中部B点处的电子与原子核之间的库仑力分别记为:F1、F2、F3和F4,并假设导线之间的垂直距离L=0,则可以直接引用(公式1-1)得出F1、F2、F3和F4的计算公式:

1、导线I与导线II中电子之间的库仑力F1

因导线I与导线II中电子之间的相对运动速度为(V-U),将(公式1-1)中的速度V替换为(V-U),电荷Q和q用-e代替,则有:

 

 2、导线I与导线II中原子核之间的库仑力F2

因导线I与导线II中原子核之间的相对运动速度为0,将(公式1-1)中的速度V替换为0,电荷Q和q用e代替,则有:

 

3、导线I中的电子与导线II中的原子核之间的库仑力F3

因导线I中的电子与导线II中原子核之间的相对运动速度为V,与(公式1-1)中的速度相同,不需要修正,仅将(公式1-1)中的电荷Q用-e代替、q用e代替,则有:

 

4、导线I中的原子核与导线II中的电子之间的库仑力F4

因导线I中的原子核与导线II中电子之间的相对运动速度为U,将(公式1-1)中的速度V替换为U,电荷Q用e代替、q用-e代替,则有:

 

    5、导线I中A点与导线II中B点之间的库仑力F

很显然,A点与B点之间的库仑力F等于以上F1、F2、F3和F4之和,即F=F1+F2+F3+F4,则有:

 

令V=U,即导线I和导线II中的电流/电子运动速度一致时,对(公式6)进行简化,则有:

        

三、磁力与导体内有电流时的动电荷间的库仑力间的关系

1、(公式7)场景下的磁力

设导线I和导线II中的电流均为电子电荷量e与速度V之积,即I=-Ve(其中的“-”代表电流方向为与电子的运动方向相反),则有两根导线间的磁力为:

         

2、对(公式7)进行适当简化与近似,向(公式8)靠拢

当t=0时,则(公式7)可修改为:

   

3、磁力与导体内有电流时的动电荷间的库仑力间的关系分析

比较(公式10)与(公式8)就可发现:两公式只相差一个符号“-”,这符号代表导线I中A点与导线II中B点之间的库仑力为相互吸引力,这与平行直导线中电流方向相同时,磁力为吸引力一致。由此可以推断:磁力很可能只是以原子为基础的导体内存在电子定向移动时,运动/静止组合电荷情况下的库仑力的矢量叠加结果,并非存在一种与库仑力完全不同的磁力。