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迈入交流奥斯特实验之门  

2011-12-14 22:12:03|  分类: 博客书《牛爱力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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迈入交流奥斯特实验之门

 

邯郸县粮食局综合业务科  张建军  kfydj@126.com

 

  :奥斯特实验的直导线如果通以交流电,旁边的小磁针仍然发生定向偏转。稳恒磁场中的直导线通直流电时,也能够发现载流导线在磁场中受力移动方向是使用左手和右手一起来判断。(直流)奥斯特实验打开了电磁学大门,造就了电学中的牛顿安培,促进法拉第发现电磁感应定律推动人类进入电气文明,奠定了电磁学基础。那么,交流奥斯特实验颠覆了电磁学基础,必然推动电磁学的新发现,再次造就类似于安培、法拉第的物理学家。

关键词:奥斯特  右手安培力 右手洛伦兹力  概率幅

 

1.交流奥斯特实验

 

迈入交流奥斯特实验之门 - myore - myore

 1820

年,奥斯特观察到通电直导线旁边的小磁针发生了偏转。奥斯特实验时使用的是直流电,如果给直导线通以交流电,会怎么样呢?

20111122日星期二早晨,myore发现,通以交流电的直导线旁边的小磁针也发生了确定性的偏转。参考实验视频108 http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p28.html。实验时,对照明电进行变压器降压串联电阻控制电流的大小,当电流达到10A以上时,可以明确的观察到小磁针定向偏转。

直导线交流电流的磁场是对称变化的,位于此中的小磁针应该不动,或者在刚通电时略微晃动一下然后回到起初的静止位置。因为交流电频率很快,机械转动惯性来不及偏转,反向的电磁力又起作用了。

交流电直导线旁边的小磁针为什么可以向一个确定方向偏转呢?是否存在照明电通过变压器后正负波形不对称,那么整体效果就存在叠加后的直流成分,小磁针在交流电的磁场中定向偏转就是因为叠加剩余的直流成分的原因。那么,不妨对实验进行改进而对比排除。

 

2.交流奥斯特改进实验

为了排除各种干扰因素,增强实验观察效果,对交流奥斯特实验进行改进,视频109http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p29.html

迈入交流奥斯特实验之门 - myore - myore

 考虑毕奥

-萨伐尔定律,电流元激发的磁场是电流元电流方向的同心圆。孤立的电流元不存在,电流元依存于闭合回路而存在。电流元是闭合回路的基本单元,直线电流和电流元一样,和闭合回路不可能完全分开。那么,一个闭合回路与多匝的线圈也就没有逻辑上的区别。

如果使用多匝线圈的一边,那么这个直线电流(交流电)的电流强度就可以增加几倍几十倍几百倍。这就有了视频109,交流奥斯特改进实验。反复的实验表明,小磁针在直线交流电流的磁场中的偏移方向是确定的,即小磁针的磁极偏移方向,是和这段直导线组成的单元电流元按照毕奥-萨伐尔定律激发的当地磁场成锐角的方向偏转。这样,交流电正负波形不对称导致的叠加后的直流成分对实验结果的影响就可以得到完全的排除。

实验视频109使用的线圈匝数为837匝,电流为0.08A,相当于一条直线交流电流为837×0.08A=67A,实验和视频108对比,似乎小磁针受到的偏转力与电流的大小不是成正比。

或许有人说,有必要考虑磁铁(小磁针)再次磁化的问题,不同材料的磁铁的矫顽力不同,如果磁场强度足够大,永磁体可以退磁(交流电电流的磁场)也可以重新磁化(直流电电流的磁场)。小磁针,大家应该知道,这种材料的永磁体,矫顽力不大,是否会在67A的直流导线旁侧的磁场中被退磁而处于反复的磁化(考虑磁化曲线)而显示这样的偏转方向呢?这也好办,可以用直流电对比,把视频109的交流电电流改为直流电(比如桥式整流的脉动直流电),电流略大于交流电的电流,如果小磁针不能够被磁化,那么这个变动的干扰因素也就可以排除了。那么,交流电直导线旁边的小磁针的定向偏转就有了确定的绝对的意义,右手安培力。实验结果正是如此,交流电电流0.08A,直流电电流0.11A,但是没有观察到小磁针被二次磁化的迹象,参考实验视频114http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p36.html

另外,如果身边的小磁针比较多,还可以在直线电流的旁边多放几枚小磁针,“小磁针的磁极偏移方向,是和这段直导线组成的单元电流元按照毕奥-萨伐尔定律激发的当地磁场成锐角的方向偏转”,根据小磁针初始位置和直线电流位置关系不同,小磁针的偏移方向将会不同,而直流电的旁边小磁针都是向同一个方向偏转。因为手边只有一枚小磁针,没有做这个实验,但是从上面的实验可以立即确定实验结果,不信,大家可以尝试一下。还可以把它演化为魔术节目,看,魔术师改变了物理规律,因为事前并不告诉观众通过的电流是交流,而熟悉奥斯特实验的,认为小磁针必然向同一个方向偏转,结果却是可以向两个方向偏转。

这里需要讲明的是,交流奥斯特实验并不是受到奥斯特实验的启发而做的实验,最初的发现来自于对法拉第转盘实验的思考和实验探索。由此发现位份实验(视频016018),当把导线放置在磁铁旁侧时,导线磁铁同步绝对转动时产生的动生电动势颠覆了右手定则(视频015),即采用左手判断动生电动势(左手动生电动势),那么微观的电子受到的洛伦兹力必然也要采用右手判断(右手洛伦兹力),当时很奇怪,因为来自于绝对运动,来自于实验装备的整体结果,因此没有把右手洛伦兹力上升到理论层面进行主动探索。

进一步的实验发现载流导线在磁场中受到的安培力不仅仅是按照左手判断,有时候需要用右手判断,有时需要采用左手和右手同时判断,这就是双手安培力(左右手安培力)。有宏观现象必然有微观基础,右手安培力的微观根本在于右手洛伦兹力,即采用右手去判断洛伦兹力。这样,右手安培力和左手动生电动势就有共同的微观基础,右手洛伦兹力。

一开始对实验现象称为颠覆左手定则,后来为了名称的简洁和教科书已有规律的对比,改称右手安培力。实验中发现,在某种磁场结构的特定空间位置,直导线受到的安培力方向,与载流导线中的电流方向无关,与磁场的方向无关,因此发现通以交流电的线圈的一边,可以在稳恒磁场中向一个确定的方向偏转。代表实验视频是079http://v.youku.com/v_playlist/f5162594o1p78.html。后来为了使得实验更加简单,采用对称换位的思路,把“通过交流电的线圈的一边在稳恒磁场中向一个确定的方向偏转”实验现象反过来做,即“通以交流电的直导线旁边的小磁针必然向一个确定的方向偏转”,这就是交流奥斯特实验。

交流奥斯特实验可以和物理学、电磁学的里程碑,(直流)奥斯特实验对比比较,这也是通过对称逻辑改变实验方式的一个优点。因此,myore实验室选择使用交流奥斯特实验、右手安培力实验来作为新实验结果的代表性实验名称。

 

3.双手安培力自激振荡实验(不确定概率幅现象)

安培力采用两只手判断而不是仅仅选择左手判断,必然会出现很多奇特的实验现象。首先来看自激振荡实验,参考图5.1,用普通的磁铁,150×100×25mm的铁氧体磁铁,没有确信的效果。改为高强磁铁,规格为78×58×16mm,很容易观察到左右手判断的安培力各占50%的实验现象——即载流导线在稳恒磁场中左右摆动不停,受力移动方向一忽儿采用左手判断,一忽儿采用右手判断。经过对比,使用桥式整流的全波脉动直流电、或者半波整流的直流电,很容易实现,并且也没有会自动停止左右摆动的迹象。使用稳恒直流电源时,效果非常差,只能够摆动几次,很快就向单一方向移动。

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 图

5.1中,载流直导线是按照左手安培力来偏转,还是按照双手安培力来左右振荡,与径向直导线在高强磁铁磁场中的位置有确定的关系。当载流导线在磁场中按照左手判断指向图片中标注“左手安培力”的方向时,通脉动直流电时,导线只能够按照左手判断的方向移动;当载流导线在磁场中按照左手判断指向图片中标注“双手安培力”的方向时,通脉动直流电时观察到,载流导线往复不停地左右摆动。这本身就是一个良好的对比,正好说明了右手安培力存在的必然性。参看视频110http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p30.html。视频111http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p31.html

反复的实验和多重对比实验分析表明,微观的概率、概率幅,不确定现象已经反映到宏观,微观的粒子与宏观的物体(比如载流直导线)遵守同一个规律。不仅仅象天气预报这样的复杂事件是混沌的,即使一段通电导线在磁场中,表现也是混沌的,体现了微观的概率、概率幅、不确定现象。这是物理学家不能够改变的。

 

4.右手安培力实验(确定性概率幅现象)

实验中多种方法尝试,发现,如果想在实验中观察到右手安培力确定性效果的实验,可以比较永磁体和线圈通电当做磁铁使用的情况,线圈磁铁实验效果可以更好一些。如果线圈长宽厚越来越大,那么在近线圈NS极的中线和线圈磁极端面(截面)中心线附近位置的次力面可以实现右手安培力大于左手的概率,但是这是有条件的(次力面,指通电导线的移动方向和磁铁磁力线中心的那条线平行的平面;主力面,指通电导线的移动方向和磁铁磁力线中心的那条磁力线垂直方向移动的平面)。现在分析这个问题,首先形象地看看磁力线的方向是弯曲的,对教科书图片进行拍照,见图4.75

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 显然,磁力线不是平直的而是弯曲的。需要讲明,教科书给出的线圈,其螺旋管长度(我们在解释说长宽厚时,采用厚度这个词)远远地比线圈的直径要大几倍。如果线圈螺旋管长度与直径相比几乎相等,那么,显然磁力线的弯曲更为明显,如果我们还有一点基础的想象能力的话——如果线圈螺旋管的直径比长度还要大的情况下,那么磁力线的弯曲程度就更大。这就是说,在实验中,如果在线圈内部,即使接近

NS极的中线(中心线),接近线圈截面上下(左右)中心线的位置,磁力线的弯曲还是比较明显的。因此,这个位置的直导线,通电时在次力面上受到的安培力如果完全按照左手判断,显然是斜着上抛的(电流或者磁场方向之一颠倒时,受力是斜着下压的)。如果在次力面的平移方向上和按照左手判断的方向相反,那么必然有右手安培力的成分,而微观基础必然是右手洛伦兹力这个根本,于是宏观与微观就统一起来了。

视频102103使用线圈内部空间(内部空间指缠绕线圈的电磁线包绕的空间尺度)为长30×宽30×厚32cm5号线圈,也能够做到。但是使用内部空间为长66×宽55×厚65cm10号线圈效果更好。需要指明,如果采用10号线圈,那么,不仅仅在线圈端面(截面)上下中心线的附近位置,就是偏离线圈端面(截面)上下中心线的较远位置,也可以很容易的观察到右手安培力现象,看来,右手安培力观察的范围扩大了。原来观察到的需要在线圈端面(截面)上下中心线附近的空间范围的这个发现被突破了。接着又有了新的突破,在偏离线圈磁铁端面(截面)上下中心线的位置可以容易观察到右手安培力现象的,不在于线圈磁铁空间尺度的绝对大小,而是长宽厚度的比例恰当。比如6号线圈,内部空间大小为长18.5×宽8×厚12cm的情况下,也很容易观察到右手安培力现象。11号线圈,内部空间大小为长30×宽15×厚22.5cm的线圈,实验效果更好。

10号线圈的照片参考图4.68,这次使用该线圈来分析右手安培力概率大于50%

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 如果观察直导线的平动,实验结果表明,可以观察到右手安培力概率大于

50%,但是不是每次都是如此,即实验结果还是不确定的,绝大多数情况下还是左手安培力概率大。那么,如何能够做到每次实验时,都能够找到一个给定的区域,能够实现右手安培力概率大于50%呢?

实验中发现,平动时观察到右手安培力的概率大于50%的结果是不稳定的,有时,经常观察到平动时,直导线的一端移动方向是按照左手,而另一端按照右手移动,即导线发生了偏转。参考图4.77,采用转动的观察方式,可以观察到在两个对称的区域,一个区域确定的按照左手,而对称的另一个区域按照右手偏转。这里可以联系转动体现绝对性而平动代表相对性。牛顿水桶表明转动的绝对性,法拉第转盘实验表明转动的绝对性,这是伽利略相对性和爱因斯坦鼓吹的电磁运动相对性不能够解释的。如果希望在每次实验中,都能够确切地观察到右手安培力概率大于50%,可以选择采用转动的观察方式。两个对称区域左右手概率的平均各为50%,显然,微观的左右手洛伦兹力的概率也是50%

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 为了拍摄照片更清晰,没有把这个装置放入

10号线圈内部的近中线位置,而是单独拍照。图4.77中的直导线可以转动的位置中线放入10号线圈内部后,与线圈NS极的中线重合,因此,通电直导线可以转动的位置的中线两侧的磁力线,如果完全用左手判断,在次力面受到的分力方向就相反,实验中直导线的电流方向不变,如果直导线始终向一个方向转动,那么在中线的一侧受到的安培力就是左手判断,而另一侧就是用右手判断安培力。实验结果正是如此。

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 参考图

4.80,直导线可以通电的直导线部分很长,实验效果更好。注意,虽然载流导线可以向一个确定的方向偏转,使得右手安培力现象可以观察到向一个方向偏转的确定性效果,但是确定性偏转的过程中仍然有左手安培力的成分,即导线可以向两个方向偏转,以一个方向为主。另外,确定性概率幅中的不确定现象还表现为,这次实验观察到顺时针方向偏转,下次在同等的条件下,比如过几天再实验,可能就是逆时针转动,这是不确定的因素。这既是微观概率、概率幅的影响,也表明了宏观的混沌现象。

采用转动的实验方式,在其中的一个区域右手安培力概率大于左手。把这两个对称的区域一起清算,左右手概率各占50%,因为这个区域是按照右手,而另一个区域是按照左手,这两个区域正好位于线圈NS极中线的两侧。

参考实验视频107http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p27.html。视频113http://v.youku.com/v_playlist/f6311758o1p35.html。实验中还发现,在一些日子做,实验效果非常好,而一些日子来做,实验效果则比较差,但是目前来看,始终可以观察到右手安培力现象。

 

5.迈入交流奥斯特实验之门

奥斯特发现通电直导线旁边的小磁针发生了偏转,从此,电与磁相互联系的思想被确定下来,独立互不相关的电现象与磁现象,现在,是彼此相互依存的电磁现象。奥斯特实验打开了电磁学的大门,因此,教科书上,出现了一批物理大师:安培、洛仑兹、法拉第、麦克斯韦等等。

交流奥斯特实验有着和(直流)奥斯特实验一样的重要意义,现在,载流导线在磁场中受力方向采用左手和右手判断,微观基础洛伦兹力也是采用两只手来判断,这将改写整个电磁学的基础,因此,在此基础之上的实验再创新,必将极大地丰富物理学。而这一系列实验非常简单,不需要国家级的实验室,任何人都可以自己动手制作实验装备来重复实验,和进行新的探索,这同时也给中国的基础创新带来新的机遇,而不必再去跟踪追击国外的研究方向。

事实上,几年前,科学界就已经有了这方面的实验事实,比如,季灏在实验中发现,运动电子在磁场中受到洛伦兹力的大小,与磁场的强度和电子的运动速度有关。季灏实验就可以运用左右手洛伦兹力并存的思想来解释,环境条件不同,左右手洛伦兹力发生的概率不同,因此洛伦兹力的大小与磁场的强度和电子运动速度有关。如果主动追踪,改变磁场结构,应该能够直接发现磁场中电子按照右手洛伦兹力判断方向偏转的实验事实。

三个臭皮匠,擒拿诸葛亮。让我们携手,共同实现基础创新!

 

1myore的网易http://myore.blog.163.com/博客书《牛爱力学》(第一章到第五章)。

2myore的优酷空间http://u.youku.com/myore《牛爱力学-永动机01《牛爱力学-永动机02》专辑,视频编号001-080081-114(说明,043044编号的实验视频是错误的)。

 

                             二〇一一年十二月十四日

 

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E-mailkfydj@126.com

工作单位:邯郸县粮食局综合业务科

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    者:张建军

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