似曾相识的宇宙 第四章 电磁相互作用原理
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| 似曾相识的宇宙 第四章 电磁相互作用原理 |
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作者：佚名 转贴自：http://www.energysea.net/plugin.php?id=twow_novel:novel&do=chapter&tid=4111 点击数：23 更新时间：2018/8/19 文章录入：LA
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第四章 电磁相互作用原理
第一节 直导线磁场的交互作用磁场是怎样产生的？为什么磁场总是南北极成对出现的？为什么磁场会同极排斥，异极吸引？为什么依赖于磁通量变化的电磁感应式发电机只能产生交流电？为什么常用变压器不能传送直流电？
第一节 直导线磁场的交互作用
由于电子与磁介质之间的高相互作用特性，电子定向运动时将能量传递给磁介质，因而产生磁场。
前面提到，磁场是一种被动场，其能量来自电子。下图是单导线上产生的磁场的示意图，电子的定向移动带动磁介质也产生同向运动形成磁场。注意，磁场的方向与电子移动的方向是一致的，并且磁场强度也是梯度分布的，离导线越远，磁场的能量也越低。
下图为导线形成的磁场强度分布图。其实这个就是磁感线，或称磁力线，即磁感线实质上是反映了一个磁场的磁场强度的分布状态。
下图是不同电流方向的两条导线上的两磁场之间的交互作用示意图。
从以上两图中可以看出，磁力与电力对物体的作用力的方向是互相垂直的，原来用力的方向与受力的方向是可以这样来转变的。
磁场将动力传递到原子物体上是一个间接迂回的过程：一个磁场将能量转移到另一个磁场上，接收能量的磁场又将能量传递到其依附的电子上，电子再将能量作用到原子物体的质子结构上，最终受力的是整个原子物体。可见，微观磁场是一环扣一环的将能量转移到宏观物体上的。
第二节 旋转的磁场由于电流必定是一个闭合的回路，因此随电而动的磁场也同样是一个闭合的回路。如此，磁场所走的路径，就必定是一个环路，亦即磁场是一个闭合旋转的场。
按照上图将两个磁场并排靠近，会发生什么事？对，磁场的异极吸引，这与上一节两平行导线磁场交互作用的分析是一致的。见下图。
很容易理解，上图实际上是将两个同方向旋转的磁场靠在一起合并为一个更强的磁场。现在我们明白到，何以一个线圈的磁场强度与它的圈数相关了。
下图是其中一个磁场反转后，两个相反的磁场互相排斥，即磁场的同极相斥。
将两个反方向旋转的磁场靠在一起并不意味着两个磁场会互相抵消，这样只是使得两个磁场偏离了原来的位置，磁场偏移原位的程度与两个磁场的磁场强度相关。
磁场的同极相斥，异极相吸原理可以用气流来模拟：想办法产生两个相同的对称气旋，相当于两个磁体，并使两气旋的入口端靠近。当两气旋的旋转方向相同（异极相对），两气旋之间的低气压将产生一个吸引力；反之，若两气旋的旋转方向相反（同极相对），两气旋之间的气流互相碰撞，形成高气压，继而产生排斥力。
第三节 磁场的惯性电子在原子物质中被质子强大的电引力和万有引力所约束，即使是原子物质中的自由电子，他所走的每一步都需要付出很大的力量。因而，电子运动的惯性是非常小的。磁介质则不同，它基本上是不受约束的粒子，可以自由自在的在任何无阻挡的空间中移动，包括原子物质内部的空间。这样，磁介质就具有相当大的运动惯性。
由于磁介质的运动惯性，使得回路电流被终止后，电路中的电子仍然会受到来自磁介质的推动力。但此时电路已经被切断，电子在没有去路之下，电力被转化为电动势，这就是反向电动势产生的原因。随着磁场的逐渐减弱，电子的受力越来越小，反向电动势也随之慢慢消失。
我们在乘车时，当遇到突然刹车或者急转弯，我们会感受到一个很大的推力，如果此时松开扶手，人就会不由自主向前冲出去。磁惯性与引力惯性，这两者的作用机理是相同的。
第四节 电磁感应照抄一段：电磁感应（Electromagnetic induction）又称磁电感应现象，是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。这种利用磁场产生电流的方法叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
现在，我们对磁场有了一个全新的理解，对于电子在磁场中的受力情况应该会有一个较为感性的认识了：电子在一个外部磁场中的受力方向与磁场的方向必定是相同的，见下图。
按道理，导体内的自由电子在一个恒定的磁场中，即使导体处于相对静止状态，也会受到磁场连续的推动力，导体内的自由电子受力偏移就会产生密度差，应该会在导体内形成电动势的，然而事实上并非这样。将导线放在永磁铁上，导线并不会产生电压或电流。
我们在原子结构里找原因。
导体内的电子是否“自由”，取决于他是否被原子核俘获成为轨道电子。一旦电子成为轨道电子，他就无法参与原子外部的电流活动，但这不是绝对的。原子物质内部在一定的条件下力的作用是整体性的，任何一个地方发生受力的变动，都会导致一个新的平衡格局的出现。这样，当一部分自由电子在磁场的作用下被压缩到导体的一端，另一端的轨道电子的受力就失去了平衡，一部分原子核最外层的轨道电子就有足够的能量摆脱原子核的约束，成为新的自由电子，直至内部达至一个新的平衡为止。这些新产生的自由电子消除了导体内部自由电子的密度差异，使得导体内部无法建立起电势差。
在导体内部达至新的平衡之后，磁场将能量储存在导体内部。如果此时外部磁场突然消失，一个非常有趣和极有用的现象出现了。导体内新产生的自由电子近水楼台，在失去外部磁场的作用力之后，迅速返回到原来的原子轨道上，但遥远的另一端的自由电子却要经历千山万水，重重障碍，长途跋涉才能返回到原来的位置。这期间，电势差产生了。
由于自由电子的滞后复位特性，导体内部产生的最大电动势，与磁场对自由电子作用的变动速率为正比例关系。体现在交流发电机上，就是输出电压正比于转子的转速。
我们来看看一个交流发电机是怎样产生交变电力的，见下图。
从上图可以看出，交流发电就是导体内一个磁能和电能交替变换的过程，磁场将能量转移到导体内的电子上，然后通过电子送出电力，这明显的颠覆了传统上认为发电机产生的电力是来自外部动力，例如水力的观念。
第五节 超导原理超导，就是导体内自由电子在运行的过程中，没有产生任何的能量损耗。你联想到什么？我联想到那个依靠引力惯性以恒速飞出了太阳系的旅行者一号。
电子流在运行的过程中，有一部分自由电子由于各种原因而误入轨道电子的轨道范围，这样自由电子与轨道电子之间的碰撞就难免会发生。碰撞使自由电子改变了原来的运动方向，同时也与导体的原子结构产生能量交换，最终将电能转化为热能流失掉。想象一下，如果旅行者一号撞到了一块太空石头的景象。
因此，实现超导的关键，就是避免自由电子与轨道电子之间发生碰撞。达到这样的目标，最简单的方法就是降低轨道电子的能级，以降低其轨道半径，减少其轨道覆盖空间，使自由电子完全没有机会进入到轨道电子的地盘。你已经想到了，就是将轨道电子降温。
这同时也给我们寻找高温超导材料指明了方向：首先当然必须有自由电子；其次，在常温下轨道电子占据的空间要尽量小。
在一个闭环超导体内的自由电子获得动能之后，就如飞机离开了地面，自由电子的运行速度迅速提升到轨道电子的水平，形成强大的单向回旋电流。此时，磁介质已经无法再进入自由电子的地盘了，所以超导状态下导体的内部是不存在磁场的。
和旅行者一号一样，闭环超导体内的自由电子会一直运行下去，直到环境发生了变化，退出超导状态为止。
第六节 电磁波照抄一段：电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。
电磁波的传播速度是每秒三十万公里。电磁波的传播介质是光子，我想一个光子的尺度顶多与一个电子的尺度差不多。如果一个恒星一秒内走三十万公里或许还有这个可能性，但如此渺小的粒子，那真是无法想象的事情，虽然这个世界也确实是无法想象的。
如果光子不可能在一秒内走三十万公里，那么就只有一种可能性：当电磁波去到三十万公里之外时，每个光子仅仅只是移动了一段很短的，非常有限的距离。也就是说，这段距离三十万公里内的所有的光子几乎是同时起步的。
或者可以这样来理解：一条长一百米的绳子，我们在绳子的一端用力拉，这个力在同一时刻就能够通过绳子连续的原子结构立即传递到百米之外绳子的另一端上。同样的，我们也可以将宇宙之内所有的光子看成是一个整体。
如同地球上的大气层一样，光子是具有强大的原始本底能量的。光子与光子之间每时每刻都会发生不规则碰撞，整个宇宙中所有的光子通过这种方式互相交换能量，连接成一个整体。可以推断，光子的运动速度和光子的分布密度决定了电磁波的传播速度，即每秒三十万公里。
这个示意图反映了这样一个事实：光波的传播速度与光子的运动速度是两回事，当光子的分布密度非常大，光子的运动速度可以远远低于光波的传播速度。那么反过来说，如果粒子的运动速度是光速，在粒子的分布密度足够大时，粒子所携带的信息波的传播速度便可以远远超越光速，这正好可以解释量子力学的“幽灵超距作用”现象。
超距作用原理就像一场交棒接力游戏，非常简单并且很容易理解：100米的距离内由始至终均匀分布了接力跑手，这些跑手占据了总距离的一半，当接力棒从起点交到终点时，这些跑手总共只需跑毕全部100米距离的一半，即50米。所以，同样的跑速将接力棒送到终点，一个跑手需要10秒时间，多跑手时就只需5秒即可。相信未来在外太空中的通讯都会采用“量子波”的方式了，不用再像现在那样从火星发个信息到地球都要等半天才能接收到。
电流的传导速度是光速，而电流是由电子引起的，但是自由电子的定向移动速度却远远低于电流的传导速度，这里面肯定是存在有我们尚未知道的东西。目前已知的是，自由电子被强大的力量约束在导体之内，自由电子只能在导体内的原子晶格结构之间跳动。如果自由电子能够对外传递如此强大的能量，那么也只有一种可能性：自由电子从一个原子晶格跳到另一个原子晶格的短暂过程中被加速到了光速，然后其能量在目标原子晶格中被回收（当然也会将部分能量传递给磁介质而引发磁场），自由电子是在原子晶格之间极其短暂的非约束状态期间将能量传递出去的，这也解释了电磁辐射的成因之谜。
约束在导体内原子晶格结构之中的自由电子，就好像一颗颗上足火药的子弹，一旦离开被约束的空间，就会以光速发射出去，直至撞到另一个约束区为止。这期间，如果电子撞到光子，光子也会高速飞射出去，形成电磁辐射。
电磁波的传播同声波的传播基本上没太大的不同，两者都是粒子受激之后连带的能量转移效应。磁介质的能量转移又有两种方式：振荡方式和辐射方式，即电磁波的波粒二象性。这两种方式是同时存在的，并且两种方式的传播速度是一样的，因而两者总是交织在一起来传播。
远程无线电磁波的发射和接收实质上就是电磁互感，无论发射端与接收端之间距离有多遥远，电磁波由始至终都是以变化磁场的方式存在。见下图。
上图中，很明显接收线圈平行正对着发射线圈时产生的电流是最大的。当然，电磁波的传播并非只有左右两个方向，而是以这两个方向为主，呈现球状扩散的形态，所以左右两个平行方位的磁场是最强的。专业人士都知道，这就是电磁波的指向特性。
现代普遍应用的无线电磁波，准确地说应为“磁波”，因为在传播过程中起作用的，只有磁场。
一直以来有一种误解，认为电场与磁场之间具有密不可分的关系，因而有“电场与磁场在空间中衍生发射”的说法。导致这种错误结论的原因，是“电波”和“磁波”的产生均源于电子。
对于磁场的形成及其与电子之间的关系，电子与磁场之间的相互作用等等，前文已经有详细的解释。这里只简单说明一下电子是如何导致“电波”的出现的：电子自身携带了比周围空间多得多的密集的负电荷介质（从正电荷介质转换而来），当电子运动时，也同时通过其携带的负电荷介质来带动空间中的负电荷介质一起运动，继而将能量传递给分布在空间中的负电荷介质，如此在空间中便引发了真正的“电波”。
可见，电子直接将能量传递给“磁波”，但电子却是通过负电荷介质间接地将能量传递给“电波”的。现在已经知道，负电荷介质所在的空间尺度远远低于导致万有引力的引力子，因而可以理解，以负电荷介质为传播媒介的“电波”，它和“磁波”之间的相互作用，是几乎等于零。
“电波”和“磁波”之间微弱的相互作用关系，决定了两者之间不可能在空间中互相衍生发射。
第七节 磁路磁路，是一种由旋转磁场导致的低压磁封闭区。
磁路可以是开放的，或闭合的。开放的磁路，在其入口端有大量的磁介质涌入，是磁力的焦点所在；而封闭的磁路，因不存在这种磁介质涌流，对外不显现磁性。对于接近闭合状态的磁路，其入口端狭小，磁涌流特别强烈，产生的磁力也愈强。磁路的存在，使得磁场的流体结构相当复杂，因而，磁场并不是一个简简单单的旋转场。
受到旋转磁场的影响，磁涌流的运动是螺旋状的，并且与旋转磁场互相融合在一起，螺旋状磁涌流的旋转方向与旋转磁场是一致的。
磁场复杂的旋转流体结构，与地球上的龙卷风很相似，磁场有南北极两个入口端，龙卷风就只有靠近地面的一个入口端。龙卷风内部的低气压在其入口端产生的威力，相信无人不晓，海面上的龙卷风内部的低气压能够将大量的海水拉伸到高空之上。
 上图是各种形态磁场的磁路示意图。有意思的是，一个磁路闭合的磁场是没有磁极的，整个磁体承受着外部磁介质的巨大压力，磁场越强，压力就越大。
 上图是一个由永久磁铁、磁芯和磁隙构成的典型的磁路图。在这个磁路图中，由于磁芯的磁阻R1和R2远远小于磁隙的磁阻R3和R4，所以旋转磁场不会经由中间的通道形成磁路，而只会分别经由左右两个C形磁芯形成磁路。因此，在这个例子中，即使将两个磁铁靠在一起，两者之间也不会有明显的磁力作用，这点与电流向低阻通道分流的特性有异曲同工之妙。
第八节 电流的集肤效应对无线电有认识的专业人士一定会知道，通过导体的高频电流，会趋向于流经导体的表面，这种电流的集肤效应是一种电磁现象。
前文中有关于超导的内容，提到了在超导体内由于强大的电流作用，超导体内的磁介质被高速运动的电子赶出了超导体的内部，因而在超导状态下超导体内是没有磁场的。这里，电流的集肤效应却正好与之相反，导体内的自由电子被导体内部磁场的压力逼到了墙壁（导体表面）上，电流就只能沿着导体的表面传导了。
相信许多人都会有一个疑问：为什么高频电流才会有明显的集肤效应呢？
常常在同一个系统内，因为整个系统的形成源于其最底层的本质机制，故而其中各种不同事物的外在表现和状态，都是有其共通点即相似性的，正如世上没有相同的两片雪花，但所有的雪花都是六角形的，电流的集肤效应也不例外。
在本章“电磁感应”一节中曾提到，将导线放在永磁铁上，导线并不会产生电压或电流的原因。此处，只有高频电流才会有明显的集肤效应是同一个原理所致：不断高速变换方向的电流，使得轨道电子根本没有足够的时间转换为自由电子来维系导体内部的电力平衡。所以，在极端的高频强电流状态下，导体中心区域实质上就是一个没有自由电子的绝缘体。
电磁感应与电流集肤效应是电磁世界中两片不相同的“雪花”。
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