首页 常识

磁铁相吸相斥原理

100次浏览     发布时间:2024-08-31 10:47:44    

根据《刚体粒子自旋定律》可知,刚体粒子的自旋速率总是与移动速率相同,且旋转轴总是与移动方向平行,由于地球在以太中移动速度为光速c,所以核外电子与原子核的旋转轴是近似平行的(之所以不是绝对平行,是由于电子在环绕速度方向上存在自旋分量,这个自旋分量的旋转轴与原子核的旋转轴是垂直的)。

但在通电导线中,电子除了受到原子核的束缚,还会受到导线中的电场力束缚,由于最外层电子受到原子核的束缚力相对较弱,所以最外层电子(自由电子)可以在通电导线中向着电源正极漂移,由于自旋速率总是等于漂移速率,导致电子在漂移方向上产生自旋角速度分量,这部分自旋分量的旋转轴与漂移方向平行,所以产生的环形磁场与漂移方向垂直(也就是与导线垂直),电场强度越大则电子漂移速度越大,自旋角速度分量就越大,产生的磁场也就越强。

可以将漂移速度看作是电子在以太中的移动速度分量,比如旋转小球和观察者都在空气中以速度c移动(旋转轴与移动方向平行),但旋转小球附近如果有其它旋转球体,就会受到其它旋转球体的影响,旋转方向相反则互相吸引,相同则互相排斥,受到其它球体的吸引或排斥导致它在某个方向上产生分速度,这个分速度就相当于电子在导线中的漂移速度,也是相对于观察者的速度。

当电流方向相同、电流强度也相同的两根导线保持平行时,由于自由电子在导线中漂移会产生环形磁场(电子是逆时针自旋,所以产生的是逆时针旋转的以太风),从而在导线周围产生磁感应强度,按照目前物理学理论,两导线之间的作用力F = BIL,根据左手定则就可以判断出它们的受力方向,电流方向相同时可以判断出两导线互相吸引,电流方向相反时互相排斥。然而左手定则并不能揭示物理学上的本质原理,需要弄清楚左手定则的深层本质原理。

如下图所示,a导线位于左侧、b导线位于右侧,它们长度均为L,相距为r。

图中红色箭头代表自由电子是向前方漂移的(电流方向是向后的),设电子漂移速度为v1,根据毕奥萨伐尔定律,每个电流元(自由电子)在距离r处产生的磁感应强度Be = ev1μ0/4πr²(r处与移动速度垂直),当大量自由电子一起在通电导线中漂移时,根据毕奥萨伐尔定律可得出a导线在p点产生的磁感应强度B = μ0I/4πr*(cosθ1-cosθ2),由于电流I = ev1ns(e是电子的电荷量,n是单位体积内的自由电子数,s是导线横截面积),得B = ev1nsμ0/4πr*(cosθ1-cosθ2),将B看作是单电子以速度v2在以太中移动时所产生的磁感应强度,那么B = ev1nsμ0/4πr = ev2μ0/4πr²,则v2 = rv1ns*(cosθ1-cosθ2),根据之前篇章可知,电子周围旋转以太风切向速度的平方与旋转半径的乘积等于移动速度的平方与电子半径r0的乘积,设r处旋转以太风的切向速度为v3,则v3²r = v2²r0,得v3 = √(v2²r0/r) = v2*√(r0/r) =rv1ns*(cosθ1-cosθ2)*√(r0/r) = v1ns*(cosθ1-cosθ2)*√(rr0)。

由于两导线周围旋转以太风都是逆旋,所以a导线产生的旋转以太风以速度v3吹向b导线时是从下向上的,而b导线产生的以太风是以从上向下吹向a导线的,所以可以等效为b导线中的电子以速度v3向下移动,而a导线中的电子以速度v3向上移动,根据之前篇章中的两电子之间电场力公式F = mcx²r0/r²,可得出两导线中互相对称的一对自由电子之间的电场力F1 = mv3²r0/r²,由于每根导线中的自由电子数量N = nsL,所以两根导线总的引力F = mv3²r0/r²*N = mv3²r0/r²*nsL =BIL = B*ev1ns*L,得出mv3²r0/r² = ev1B(可以看出电场力、安培力、洛伦兹力,本质上可以是同一种力)。

由于两导线中的自由电子漂移速度为v1,根据两电子之间的电场力公式可得出互相对称的两自由电子之间的电场力F2= mv1²r0/r²,由于自旋相同、且移动方向也相同,所以F2是斥力,两导线总斥力= mv1²r0/r²*N,由于v1通常远小于1米每秒、也远小于v3[v3 =v1*ns*(cosθ1-cosθ2)*√(rr0)],所以两导线之间的斥力远小于引力,将斥力忽略不计,那么两导线之间的引力可以近似为F = BIL = mv3²r0/r²*N = ev1B*N。

同理,如果两导线的电流方向相反,比如a导线电流方向向前(与图中电流方向相反),b导线电流方向向后,由于自由电子周围存在逆旋以太风,所以a导线产生的以太风从上向下扫过b导线时,相当于b导线中的电子是从下向上移动的,而b导线产生的以太风也是从上向下扫过a导线的,所以a和b导线中的电子都可以看作是从下向上移动的,所以它们之间的斥力 F = BIL = mv3²r0/r²*N = ev1B*N,远大于引力mv1²r0/r²*N。

由以上可知,两电子的移动方向相同时,它们之间斥力远大于引力,斥力F1 = mcx²r0/r² =e²/4πε0r² = (e0*cx²/c²)²/4πε0r²(请注意电子电荷量e是变量,与它在以太中移动速度的平方成正比,e0是电子以速度c在以太中移动时的电荷量),引力F2 = mv²r0/r² = m(cx²r0/r)r0/r² = mcx²r0²/r³(v是电子产生的旋转以太风扫过另一个电子时的速度),移动方向相反时斥力远小于引力(引力为F1,斥力为F2);但是当移动方向相同的大量自由电子被分别束缚在两根导线中时,由于导线外围旋转以太风的速度会大于电子在导线中的移动速度,所以两导线反而会互相吸引,电流方向相反时反而会互相排斥(为方便理解,文中r并没有使用矢量,默认r点和电子的连线与电子旋转轴是垂直的)。

将以太替换为空气,将电子替换为小球,假设两小球以相同的速度v1在空气中移动,且它们的自旋速率始终等于移动速率、旋转轴始终与移动方向平行,如果它们相距较近,那么a球周围产生的旋转气流就会扫过移动中的b球(同理b球的旋转气流也会扫过a球),假设它们的自旋方向相反,a球顺旋、b球逆旋,a球位于b球的左侧(都以v1的方向为观察视线方向),那么旋转气流都是从上向下扫过a球和b球的,相当于a球和b球存在向下移动的分速度(相对于空气的速度),根据马格努斯效应,a球将会向b球方向偏转,b球也会向a球方向偏转,所以它们会互相吸引。将空气换回以太,将小球换回电子,那么它们之间的电场力也是基于马格努斯效应,也可以用经典物理学理论来解释。马格努斯效应是基于伯努利原理(流速越快则气压越低),伯努利原理是基于粒子(气体分子、原子)的动量守恒,所以宇宙中只存在动量守恒这一种基本物理法则,而且根据理论推断宇宙中只存在光子这一种最基本粒子,所以宇宙中发生的一切都是由光子的互相碰撞而形成的。

由于磁铁可以被看作是通电螺线管(条形螺线管或U型螺线管都是可以的),如下图所示:

图中黑色箭头代表电流方向,通过右手螺旋定则就可以判断出磁场的N极和S极,由上文推导可知两根平行通电导线在电流方向相同时会互相吸引,电流方向相反时互相排斥,可以看出图中N极和S极的通电导线内部电流方向是相同的,所以N极和S极会互相吸引,而下面两个N极的通电导线内部电流方向是相反的,所以两个N极会互相排斥,两个S极同理也会互相排斥。

总结,同极相斥、异极相吸的本质原理是由于球形粒子在流体中移动时,粒子周围旋转以太风扫过其它粒子时,就会产生马格努斯效应,导致粒子的移动方向发生偏转,如果两粒子互相偏向对方,则互相吸引,如果两粒子互相偏离对方则互相排斥,可以通过经典物理学理论来解释。

相关文章推荐

  • 坐月子可以吃酱油吗

    坐月子期间,产妇们的饮食往往受到诸多限制,但也有一些传闻和误解在误导大家。比如,可以吃酱油吗?部分老人会认为,坐月子期间应该避免食用酱油,因为酱油的颜色深,可能会“染”给宝宝,其实这种说法并不科学吗?坐月子期间是可以适量食用酱油的。酱油是一种由黄豆、小麦等原料经过发酵加工而成的传统调味品,它含有多种

    2024-12-23 10:37:59

  • 夏天吃什么食物比较好?营养师提醒:这5类食物要多吃

    一到夏天,天气炎热,很多人的食欲开始下降。冷饮、水果成了最渴望的食物,时间久了容易导致免疫力下降,还会引发胃肠道的疾病。其实,越是食欲不好,越要加强营养,那么夏天吃哪些食物比较好呢?天气炎热,出汗就比较多,汗液的蒸发不仅损失了大量的水分,还会带走钾、钙、钠、镁以及多种B族维生素。水分的蒸发会使血液浓

    2024-12-23 10:23:29

  • 清蒸五花肉怎么做好吃 ,出锅可以这么好吃,香辣可口不油腻

    我是真没想到把五花肉放到锅中蒸一蒸,出锅也能做成一道非常好吃的硬菜,用来下酒下饭都是可以的,肯定很多小伙伴没有吃过这道菜,下面我们来看看详细的做法。凉拌五花肉原料:上好的五花肉、青线椒、小米辣、芝麻调料:食用盐、生抽、香醋、蚝油做法:1、首先准备一块上好的五花肉,选择五花肉的时候一定要选择这种五花三

    2024-12-23 10:07:59

  • 不要总炒着吃,教你油焖茭白好吃简单的做法,出锅就是美味

    说起茭白我就会想到浙菜系的一道风味名菜,那就是油焖茭白,这道菜有浓油赤酱的红润色泽,还有柔滑适口,鲜嫩糯香的口感,在我第一次品尝后就一直念念不忘,这就是喜欢上了,喜欢浓郁的酱香,喜欢这鲜甜脆嫩的味道。寻味之旅,总能用奇遇来形容。对于食材的每一分把握与注释,是对品食者最大的尊重。我是天然力美食,专注于

    2024-12-23 09:53:44

  • 大黄鱼怎么做 ,肉质嫩滑,鲜美不腥

    每年农历三四月份正是黄花鱼大量上市的时候,一条肥美的新鲜大黄鱼不过二三十块钱,价格最是实惠。待到春雷声响,鱼沉海底,捕捞不易,鱼价也随之升高了,因此现在正是食用大黄鱼的好时节。大黄鱼即大黄花鱼,是我国常见的一种深海鱼类。我国食用大黄鱼历史非常悠久,大概在公元前505年,中国东海已有捕捞大黄鱼的活动。

    2024-12-23 09:38:19