电磁理论与原子论之二

                            电的作用

志勰

〈一〉

电力线概念的不足

1〉利用单位电荷在电场中某点受力的方向和大小定义了电场强度的概念,即:电场中某点的电场强度,其大小等于单位正电荷在贺电所受电场力的大小。

    依据场强叠加原理,我们可以对任一多电荷系统进行处理,从而获得带电体或电荷在电场中的受力大小和方向。为了便于了解电场中场强的分布情况,在电场中画出一系列的曲线,使其每一点的切线方向都和贺电的场强方向一致,我们把这种线叫做电力线。

    通过电场中任一点的电力线密度,与该点场强的大小相等。

    电力线具有这样的特点,其起源于正电荷而止于负电荷;静电场中,电力线不形成闭合曲线;在没有电荷的地方,电力线不会相交。
    〈注:如上这一部分的原稿以有几年的时间,参考书目大多来源于物理课本。参考的较杂,当时没有注出,故这里抱歉了。〉

    在《电磁通论》中,对“力线”有这样的定义:“由一个沿着和强度方向运动的点所给出来的曲线,叫做‘力线’。它和等势面相正交”①

    电力线是根据场强叠加原理对单位电荷在电场中受力大小和方向而设置的,它仅是电场给与一个单位电荷的作用力的状态,其作用的双方是电场和电荷,因此,它不能反映电荷与电荷之间作用力的性质、相互作用的方式。因此,它不适用于对两个单位电荷〈或两个孤立电荷〉之间相互作用的描述。

    在库仑定律的适用范围中,我们曾得到两个电荷之间的线度比小于104数量级范围时,库仑定律不再成立的结论,同时说明采用电力线对电荷间相互作用的描述方法不在适用。

    从电磁技术上来说,电力线可以胜任宏观电场的定性分析,这里只是说明它不适用于两个孤立电荷在线度比较小的描述。从这一角度来说,它不适用于微观的描述。

                                      新的概念的引入——电的作用力线

2〉电荷间的相互作用必须通过具体的作用方式进行,由于我们不能获得电荷间本身相互作用的具体情况,但是我们可以针对电荷的属性对电荷作用的结果以及所处于的状态分别给与定量定性的描述。这对于处理点电荷间的相互作用是很重要的。它主要是用于对孤立电荷间的相互作用进行处理。另一方面,由于它处理的是基本的相互作用,因此也适用于对宏观的电场间的作用进行描述。

   我把这种描述方法叫做电的作用力线表示法。电的作用力线所描述的是孤立电荷间的相互作用,处理的是电荷间的相互作用,在您认识它之前,请先看一点电荷对外作用属性的特点,它是建立这一概念的依据。

3〉带电体之间存在的作用力是电荷间相互作用的直接结果,依据叠加原理我们可以对带电体受到的作用力进行分解。根据如下经验事实:

1、带电体中的一个电荷对另一个带电体所有的电荷都会提供作用力,电荷不会因为某些电荷的作用而减弱对其它电荷的作用。

2、带电体中的所有电荷对某一电荷的作用,等于带电体中各电荷对确定电荷作用的矢量和,电荷之间的相互作用可以存在多个方向。

据此,可以得到如下结论:

1、电荷在空间中给予其它电荷的作用,各向同性。

2、电荷在空间中给予其它电荷的作用方向,各项同性,不因对其它电荷存在的作用而发生方向的改变。

   于是,我们得到理想的基本电荷相互作用的一个性质,即:

基本电荷给与它周围空间的作用各向同性

4〉关于理想基本电荷相互作用属性的有效性的问题

    这一结论是采用经验事实的一个规律——叠加原理而得到的。我们在采用叠加原理的同时,已经在使用理想基本电荷相互作用的这一特点。这一特点从这一原理中推倒出来,不是证明的过程,而是对叠加原理这一经验事实的另一种描述,在某种意义上,它是一种约定。

    叠加原理的理论基础和实验基础是显而易见的。在处理扭称实验的影响时,一百五十年前的物理学家们就已经就这一问题给出了答复。

    但是线度比概念的引入打破了库仑定律的普适性问题,在'库仑定律的证明范围'中,理论对库仑定律严格证明的范围其线度比在大于1012数量级范围。而氢原子说明其线度比小于104数量级范围时,库仑定律一定不能成立。这样我们仍然有理由怀疑在电荷线度比小于104数量级范围时,叠加原理或者我们的基本电荷作用属性是否成立。

    关于这一问题,我将在对物质微观描述过程中根据实际的情况进行分析,这里就不对这一问题作深入探讨了。

5〉电的作用力线的表示方法

    根据基本电荷给与它周围空间的作用各向同性的特点,我们可以采用直线来表示电荷对空间的作用,即均匀的画一些穿过电荷质心的直线。

    为了便于区别正电荷和负电荷两种不同的作用,我们仍然可以采用箭头的不同方向来区分。不过,箭头的意义并非始于正电荷而止于负电荷,而仅仅表示不同的两种作用。如图:

ddzy1.gif (2277 字节)

6〉电的作用力线的作用形式

    依据叠加原理对电场给予单位电荷作用力分解的方法,可以获得电荷给予其空间作用的性质。但是电荷间相互作用是否会影响到作用力线在电荷外空间的分布。电荷施加给空间中某一点的作用,叠加原理这一经验事实说明,某一点的电的作用相对于给予它作用力的电荷来说,是相互独立的,并且互不干扰。

    电荷间通过作用力线相互作用的形式,原则上来说,通过单位电荷相互作用的效果以及作用力具有普适的特性,我们可以判定单位电荷相互作用的具体形式。电荷间相互作用的具体过程我们不可能观测到,但是我们可以赋予作用力线的某种属性,使其具有完成电荷间力线相互作用的某种功能,其结果与电荷实际的作用过程是等效的。

    电荷给予它周围空间的作用各向同性,使我们采用单位电荷在电荷空间所检验的直接结果,但应注意的是,我们采用实验对其进行检验的范围时在电荷间线度比大于1012数量级范围内。即使我们提高实验精度,其数量级不会低于104数量级,即原子的尺度。

7〉电的吸引和排斥

   到目前为止,还没有一种对电荷间吸引和排斥相互作用原理的合理的解释方法,虽然依靠发射粒子来对场力进行的解释和说明,如带电体发射和吸收电磁子;引力体发射和吸收引力子。这样的解释是没有任何力学、因果的依据,另一方面,又会形成必须解释物质体如何发射和吸收的理论。一层层假设和解释下去,除了单纯的物理意义之外,不会对人类对物质世界的理解及实用技术方面有任何的帮助。

    我个人的看法是可以通过赋予电荷间的相互作用以吸引和排斥两种功能的定义,从而把它看作一种自然现象经验的事实。这样,与合理的解释方法是等效的。

8〉电张力的特点

    我们假设单位电荷是球形的,这个假设依赖于如下两点:

    1、电张力属性的存在

    2、在所有形状的物体中,体积确定的情况下,球的表面积总是最小。

   电张力的概念,它的起源至少在一百五十年以前,以当时科学水平的验证范围,应大于10-3米长度空间以上。电张力一方面来源于物理经验事实,如库仑定律。同时,它也是数学逻辑实验的依据,关于这一问题,您可以参阅“库仑定律的适用范围”中的“库仑定律的证明范围”。电张力的概念与物理规律是相融合的。比如根据叠加原理得出的一个结论,“基本电荷给予它周围空间的作用是各向同性的”

    与此相关的另一个问题是在电荷间线度比数量级很小的范围,如上两个特点是否仍然成立。关于这一问题,目前是不好回答的,因为没有经验事实作为这一问题的基础。在原子论中将就具体情况作具体可行性的分析。

    我们采用单位电荷是球形的,采用作用力线的表示方法表示电荷给予其空间的作用。作用力线垂直与其余电荷球面相交点的切平面。每一根作用力线表示一个单位的作用,并且具有确定的方向,不因其它电荷的作用而发生方向的改变。这来源于电荷之间的作用可以存在多个方向并且各向同性。

    随着作用力线在单位电荷外层空间的延伸,在距离单位电荷中心相等的球面上,随着距离的增大,穿过单位球面的作用力线条数逐渐稀疏。穿过以电荷为球心的球面上的作用力线条数是确定的,根据球表面积与半径的关系,我们很容易得到穿过单位面积上的电力线条数与球半径的平方成正比。对于点电荷而言,〈点电荷线度比大于1012数量级〉经验事实的库仑定律具有同样的表达形式。

    我们不能否认,点的作用力线随着与电荷间距离的延伸,会将作用力线均匀分散在以距离为半径的球面上。由于力线具有确定的方向,我们不能不赋予力线以张量的性质。

9〉电的作用力线产生作用的特点

    电的作用力线和电荷发生相互作用,必然发生在空间中,从电荷和电的作用力线的空间结构来寻找作用的特点,是因果逻辑必不可少的途径之一。

    电荷间具有显著特点的两个事件提供了初步的电荷间相互作用的特点。

    一者是证明库仑定律的经验事实,库仑定律严格成立的范围是电荷间线度比大于1012数量级。当然,在略小于1012数量级范围内或许仍然成立,只是还未曾由这方面的事件进行实证。

    另一者则是现代科学对微观物理世界的理解。现代科学实验证明原子是由原子核和电子组成,当代物理理论说明,电子在原子核外的空间中运动。以最简单的原子氢为例:电子未曾和带正电的原子核由于电磁引力而吸引到一起,或者并未曾和质子吸引到一起。质子和电子间线度比小于104数量级。在本文中曾因此判定库仑定律在这个线度比值范围不能成立。

    对这两个物理事件作一简图,如图:

dcll3.gif (103722 字节)

       图中负电荷位于正电荷两根作用力线之间,这是为了便于处理电的作用力线与电荷间的相互作用而画的简图。

      当两电荷间线度比值大于104数量级时,两根电力线已经趋向于平行.或者我们可以将之当作平行线处理,作用力线延伸的方向可以近似看作一个方向。

    对此,由一个更为简便的描述方法:就是采用通过点电荷两旁的两根电力线张角的正玄.bmp (822 字节)来表示。当穿过基本电荷两边的电力线趋近于平行时,通过点电荷两旁的两根电力线张角的正玄.bmp (822 字节)〈电荷直径与电荷间距离的比值〉趋近于电荷间线度比的倒数。

    电荷间线度比大于104数量级时,其作用力线张角的正玄.bmp (822 字节)小于10-4

    同理,电荷间线度比大于1012数量级时,电荷作用力线的张角的正玄.bmp (822 字节)小于1012。通过电荷两旁的两根电力线已经趋近于平行,可以当作平行线处理。

    电荷的作用力线由一个电荷出发,〈或者说一个小圆球〉其两根电力线之间的角度略而不计,对外作用的属性只有一个方向,或者说同一电荷的作用力线是平行线的只有一根。

    这一结论说明支持库仑定律成立的范围,电的作用力线给予电荷的作用发生在单一的方向,形象的说,支持库仑定律成立的电的作用力线给予电荷的作用近乎发生在一根电力线上。

    据此,可得出电荷的作用力线对电荷的作用的一个特点:

             两个异性电荷间发生的相互作用,属于吸引这样特点的一个电荷
        给予另一个电荷的相互作用,一个电荷必须并且仅仅位于另一个电荷
        的一条作用力线的作用范围之中。

        随着对电荷电的作用力线探讨的进一步深入,越来越需要确定的物理事实给予作用力线的属性及行为规范定性,这一远远超出了电学关于电的相互作用本身的范畴,关于更深一步的内容,我将把它放到原子论中去探讨和处理。

2000年2月14