電磁實驗是檢驗閉合回路激發(fā)磁場定律的唯一標準

朱昱昌

摘要：本文通過類比推理 闡述了磁通變化在發(fā)電機的轉子中激發(fā)電流，輸電線路中的電流是由發(fā)電機輸出的電流。激發(fā)電流離開轉子就是輸出電流。輸出電流就不是磁通變化在輸電線路中新激發(fā)的電流。同理，電流環(huán)也存在激發(fā)磁場和環(huán)流磁場這樣兩種緊密相連卻又意義不同的磁場。在電流環(huán)的內部空間即從等效S極到等效N極是激發(fā)磁場。在電流環(huán)的外部空間由等效N極到等效S極的磁場是環(huán)流磁場。

關鍵詞：閉合回路 ? 電磁感應 ?電磁實驗 ?激發(fā)磁場 ?環(huán)流磁場 ?代數(shù)疊加

引言

電磁場理論屬于基礎物理范疇。我認為電磁場理論的突破無非有兩種可能：一個是從實踐到理論，即在實踐中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，需要上升到理性認識。這個突破容易被專家、大師們接受。另一個是從理論到實踐，即發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論中存在矛盾，需要經(jīng)過實踐驗證。這個突破容易走彎路。往往是一些學者發(fā)現(xiàn)矛盾以后寄希望于專家、大師們認可。而專家、大師往往又陷入自證誤區(qū)。你否定什么，他就用什么反駁你，讓你疲于打口水仗。其實，我們發(fā)現(xiàn)矛盾以后就應該尋找電磁實驗方案。經(jīng)過電磁實驗檢驗以后再找專家、大師們論證。在電磁實驗結果面前，任何與電磁實驗結果矛盾的論述都無言狡辯。大師也不例外。

一、提出問題的依據(jù)

為什么要提出“電流環(huán)等線圈究竟在哪里激發(fā)磁場”？依據(jù)就是在《電磁學》教材中存在3個很矛盾的論述。

第一個是說：電流環(huán)既在內部激發(fā)磁場也在外部激發(fā)磁場。請看《電磁學》P97頁圖2—21求圓線圈軸線上的磁場。這個電流環(huán)在圓心處即電流環(huán)與軸線的正交處激發(fā)磁場B=μ0I/2R。這是電流環(huán)在軸線上的最大值，離電流環(huán)圓心越遠越小。言外之意，就是所有的磁感應線都是電流激發(fā)所致，只是沒有找到計算公式而已。

第二個是說：電流元只在螺線管內部不在電流環(huán)內部激發(fā)磁場。請看 《電磁學》P101頁圖2—27環(huán)向電流筒軸線上的磁場。這里只強調電流環(huán)上的電流元在遠處乃至無窮遠處的軸線上激發(fā)磁場，完全忽略了電流環(huán)的獨立性。即忽略了每個電流環(huán)都能獨立在與軸線正交處激發(fā)磁場。該例題導出無限長螺線管內部軸線磁場收斂于 ? B=μ0nI，半無限長螺線管內部軸線端點磁場收斂于B=μ0nI/2（這兩個結論的量綱是錯的）表示的是什么？讓人捉摸不透。

第三個是說：電流環(huán)具有獨立性，而且只能在內部空間激發(fā)磁場和磁通量。請看《電磁學》P156頁“（3.2）式只適用于單匝導線組成的回路。如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，那么當磁通量變化時，每匝中都將產(chǎn)生感應電動勢。由于匝與匝之間是互相串聯(lián)的，整個線圈的總電動勢就等于各匝所產(chǎn)生的電動勢之和。如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為φ，則 Ψ=Nφ?！边@里沒有說每匝導線在外部空間激發(fā)磁場和磁通量。

二、類比推理劃清兩種磁場并發(fā)現(xiàn)了閉合回路激發(fā)磁場定律

磁生電、電生磁都有各自的客觀規(guī)律。磁通變化在發(fā)電機的轉子中激發(fā)電流（生成電流）。輸電線路中的電流是由發(fā)電機輸出的電流。激發(fā)電流離開轉子就是輸出電流。輸出電流就不是磁通變化在輸電線路中新激發(fā)的電流。同理，電流環(huán)也存在激發(fā)磁場和環(huán)流磁場這樣兩種緊密相連卻又意義不同的磁場。在電流環(huán)的內部空間即從等效S極到等效N極是激發(fā)磁場。在電流環(huán)的外部空間由等效N極到等效S極的磁場是環(huán)流磁場。環(huán)流磁場會彌散在近旁的整個空間。等效N極就是噴發(fā)環(huán)流磁場的源泉，等效S極就是吸收環(huán)流磁場的黑洞。電流不止，源泉不竭，黑洞吸納不停。激發(fā)磁場流出等效N極就是環(huán)流磁場。環(huán)流磁場就不是電流環(huán)在外部場點新激發(fā)的磁場。載流螺線管內部從S極到N極是激發(fā)磁場。外部從N極到S極是環(huán)流磁場，會彌散在整個外部空間。我們拿一個和這個螺線管內半徑相同的軟鐵芯，把一端對準N極，另一端對準S極，就把螺線管外部環(huán)流磁場全部吸收進磁路里，進行環(huán)流。但是，軟鐵芯無法改變螺線管內部的激發(fā)磁場及形態(tài)。我們只要搞清楚了什么是激發(fā)磁場、什么是環(huán)流磁場乃至二者的本質區(qū)別，就會發(fā)現(xiàn)：電流環(huán)只能在兩個端平面（即兩個等效磁極）所圍成的內部空間激發(fā)磁場。又因為，任何一種完全相同的N個閉合回路按照右手定則串聯(lián)在一起都是電磁鐵。所以，我們是否可以推斷：“電流環(huán)等任意一個閉合回路中的電流都只能在閉合回路與兩個端面所圍成的內部空間激發(fā)磁場，并服從右手定則。”這很可能就是一個實驗定律。我猜想人們可能無法給出嚴格證明，但是任何電磁實驗都不可能存在反例。這個定律可以稱為“閉合回路激發(fā)磁場定律”。有了這個定律，上面三個說法孰是孰非？就會一目了然。

例如第一個說法：電流環(huán)在內部軸線處即圓心處激發(fā)磁場是對的。但是說電流環(huán)也在外部軸線處激發(fā)磁場，這就是畫蛇添足了。

例如第二個說法：電流環(huán)上的電流元能夠在遠處乃至在無窮遠處激發(fā)磁場，這是完全錯誤的。特別是無限長螺線管內部軸線磁場表達式B=（μ0nI/2）（cosβ2-cosβ1），內點磁場極限B=μ0nI;半無限長螺線管軸線端點磁場極限B=μ0nI/2，這三個結論量綱不對，讓人無法琢磨?！峨姶艑W》教材為了解釋這個矛盾又編造了一個理論根據(jù)“螺線管存在漏磁通”?？梢哉f：《電磁學》教材為了掩蓋一個謊言，又編造了一個更大的謊言！甚至連量綱的對錯都不顧啦！

只有第三個說法正確，因為它是法拉第電磁感應定律。列寧說過，真理只要向前一步，哪怕是一小步，就會成為謬誤！ 法拉第電磁感應定律，只講兩個端平面以內 的線圈所激發(fā)的磁通量。因為外面沒有線圈，所以就不考慮兩個端平面以外的事情?！峨姶艑W》教材卻亂發(fā)揮，專門研究線圈以外的磁場和磁通量，把人們引入歧途，那就真的變成了謬誤！其實，線圈以外的磁場是環(huán)流磁場，是由正負兩個磁極決定的。

如果一個載流線圈由N周導線繞制而成，我們既可以把它分解成互相串聯(lián)的N個電流為I的閉合回路，也可以把它合成一個電流為NI的閉合回路。根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈中的電動勢滿足代數(shù)疊加、全磁通滿足代數(shù)疊加，必然導出線圈內部軸線上的磁場也滿足代數(shù)疊加。線圈內部軸線磁場滿足代數(shù)疊加的實質和真諦就是線圈中的電流滿足代數(shù)疊加。因為電流是標量不是矢量。標量滿足代數(shù)疊加這是基本常識，沒有必要故弄玄虛 。如果從分解的角度看，線圈內部空間的磁場是激發(fā)磁場和代數(shù)疊加磁場;如果從合成的角度看，線圈內部磁場就是激發(fā)磁場，無需進行分割疊加。如果就線圈內部空間的某一個場點而言，它既是激發(fā)磁場的生成點，也是環(huán)流磁場的起始點，還是環(huán)流磁場的回歸點。可以說是三點歸一。如果從整體而言，線圈內部的磁場就是激發(fā)磁場。而且，線圈內部軸線磁場是勻強磁場。線圈內部與軸線平行的每一條線段上都是勻強磁場。線圈內部每一個場點的磁場強度都與電流NI相關，都是該點所對應的電流為I時的N倍。按照右手定則，線圈的右端面是等效N極，也是激發(fā)磁場轉化為環(huán)流磁場的起始界面;左端面是等效S極，也是環(huán)流磁場的回歸界面。

三、電磁實驗方案的構想

我們期待著中國的人造太陽實驗結果。中國的人造太陽即“全超導托卡馬克核聚變實驗裝置”。2017年度首次達到等離子體中心電子溫度達到五千萬度，首次實現(xiàn) 101.2秒穩(wěn)態(tài)放電。2018年11月12日發(fā)布消息我國大科學裝置“人造太陽”日前取得重大突破，實現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體中心電子溫度首次達到一億度?？梢哉f：從五千萬度到一億度這是一個 偉大的飛躍。首先它驗證了核聚變的可能性和可行性。它的意義是非常重大的。但是這方面理論我不懂。不過它是磁約束裝置，場強和被約束的核聚變溫度是成正比的。2017年EAST創(chuàng)造了101.2秒高約束模等離子體運行的穩(wěn)定時間世界紀錄。今年（2018年）又從五千萬度躍升到一億度高溫。怎么進展得這么快？！這就是EAST的意外收獲！我們知道EAST是一個磁約束裝置，要想約束一億度的高溫，也只能成比例地增加磁場強度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺線管和螺繞環(huán)都滿足代數(shù)疊加。但線圈滿足代數(shù)疊加的實質是電流滿足代數(shù)疊加。因為電流是標量，不是矢量，故滿足代數(shù)疊加。假設一周導線的電流為I，把相同的N周導線串聯(lián)到一起就是電流為NI的螺線管。這個螺線管的兩個端平面所夾的軸線為勻強磁場。兩個端平面所夾的螺線管內部空間為激發(fā)磁場，兩個端平面以外的磁場為環(huán)流磁場。把這個螺線管兩頭對接到一起就是螺繞環(huán)。螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場。螺繞環(huán)的軸環(huán)線是勻強磁場，強度為μ0NI/R。如果要想把中心等離子體電子溫度提升到兩億度時，我們就把原來的線圈個數(shù)N擴大到2N基本滿足要求。EAST是一個磁約束裝置，也是一個密閉裝置?？梢宰C明超導螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場，也不存在漏磁通。中國的人造太陽獲得重大突破證明了什么？我想同時也證明了：1、螺線管、螺繞環(huán)滿足代數(shù)疊加;2、螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場;3、由2的成立，可以證明螺線管內部為激發(fā)磁場，外部為環(huán)流磁場，兩頭對接以后 ，外部的環(huán)流磁場就消失了。

四、結語

綜上所述，“閉合回路激發(fā)磁場定律”，必須要經(jīng)過電磁實驗證。我們知道中國的人造太陽就是一個電磁實驗。EAST是一個磁約束裝置，要想約束一億度的高溫，也只能成比例地增加磁場強度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺線管和螺繞環(huán)都滿足代數(shù)疊加，但線圈滿足代數(shù)疊加的實質是電流滿足代數(shù)疊加。因為電流是標量，不是矢量，故滿足代數(shù)疊加。假設一周導線的電流為I，把相同的N周導線串聯(lián)到一起就是電流為NI的螺線管。這個螺線管的兩個端平面所夾的軸線為勻強磁場。兩個端平面所夾的螺線管內部空間為激發(fā)磁場，兩個端平面以外的磁場為環(huán)流磁場。這個螺線管的軸線磁場為B=μ0NI/2R，把這個螺線管的兩頭對接到一起就是螺繞環(huán)。螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場。螺繞環(huán)的軸環(huán)線是勻強磁場，強度為μ0NI/R。如果磁場強度還不夠，可以增加線圈個數(shù)N即可。

參考文獻

[1]電磁學/趙凱華，陳熙謀，——北京：高等教育出版社2003.4（2005重?。?〔1〕P97圖2—21求圓線圈軸線上的磁場;〔2〕P101圖2—27環(huán)向電流圓筒軸線上的磁場;〔3〕P156（3.2）式。

[2]《科學與生活》2021年第17期《無限長螺線管內部軸線磁場表達式不能成立》。