导线中电流的运动速度与电压的关系

志勰

     这篇文章使我在不同时期所写的东西,这里我仍按我的思考过程的把它写出来,同时保留原稿的看法。因此您看这篇文章时难免感到我写得很麻烦。如果您有时间,我建议您按顺序看一看,如果您没有时间,那么,你可以只看最后的几段话。

          本文提出的一个观念是导体中运动电子的运动速度与导体两端的电压无关,即:导体中电流的速度与电压无关。


       在一根导线中通一确定的电流,这一导线会在导线周围空间中产生磁场,其磁场方向和电流运动的方向垂直。如果导线周围的磁场是由导线中运动的电荷(更确切的说是由电子的运动)引起,那么,导线中运动的带电体的运动状态和磁场的关系将是一个很重要的关系。
         在传统物理学中,并没有探讨导线中电荷的运动速度和它所产生磁场的关系。传统物理教科书中通常是将导线中电场的运动速度当作光速进行处理。实际上,这是不严格的处理方法。这样处理的结果是,形成两种对运动导线中运动电流的解释。

        一种解释是;导线中电流的运动是由导线中的电场为根本原因。这样电流的传输速度会是以光的速度,这是传统物理学中对导线中运动电流的解释,这种解释中,电场是电流运动原因的根本解释。

        另一种解释是:根据导线中形成电流的原因,从电荷间相互作用出发,导线中电荷的运动形成电场。(即:导线中电荷的传递是由导线中电荷的密度差异形成的。但是并不是所有的导体存在电荷的密度差异就会形成电流。静电场中的导体也存在电荷的密度差异,但不会形成电流)电荷的运动是形成电场的条件。

    两种解释对物理现象的物理过程的实际解释是不同的。第一种解释存在电流的运动速度为一常数的结论。第二种解释的结果是如果导线中的电子存在确定的质量,那么,电流的运动速度就会略小于电场的传递速度。(这一结论不能采用螺旋线圈中电流的运动速度去检验,运动的电荷间会存在相互作用)

    同时,两种解释会存在不同的对导线中电子运动速度的解释,这是由导线中运动电流产生的磁场的相互作用而形成的。

    导线中电子的运动必然会使电子和导线存在位移,其位移所形成相对运动对导线外的空间中产生的的磁场强度同运动的电子在它周围外空间中形成的磁场是等效的。这样提供给我们一种检验导线中运动电子运动状态的方法。

    具体的方法是检验距传输电流导线确定距离处的磁场强度,对导线施加不同的电压,确定导线中电压电流强度和导线产生磁场的关系。这样一种方法在实际的检验过程中存在等效的原理,我们不能检测电流中电子和导线位移速度和他们产生的磁场强度的关系。

      <<<<<<<<<<<检验导线电流运动速度的方法  >>>>>>>>>

       相同状态下的电荷之间〈相同运动状态〉只存在静电引力或斥力,这一经验事实已被人们证实和接受。不同运动状态下的电荷之间除了静电引力或斥力之外,还存在其它属性的作用力,通常我把它叫做磁的作用力线或者电磁力。这也是经验事实,也已被人们证实和接受。在对不同存在状态电荷间的相互作用上,人们尽是笼统或泛指,实际上,它包括几种不同的作用形式,不仅仅是电力、磁力或电磁力。

        不同运动电荷间电荷的相互作用在空间中传递,采用电的作用力线进行分析,已得出三种不同的作用形式。下面,我们通过我们所赋予的电的作用形式,并从而重新考察基本电荷的属性。

    (1)相同运动状态基本电荷间,其间除了静电作用之外,我们不能找到其它的相互作用形式,不论是在空间中独立存在的两个孤立电荷,还是在不同的场中所存在确定相互作用的两个直接关联的两个电荷,如原子中的电子和原子核.也许您认为这样的描述不能算作合理.因为原子中的电子和原子核间的相互作用我们并不能精确知道.或者您提出原子中的电子和原子核间不能采用相同运动状态来描述,这里我只说明一点;人们对原子观念的认识和了解依赖于人们所认识的物理观念,而这确是以假设的方式,这依赖于人们所认识的物理观念,而这确是以假设的方式存在,这包括原子理论中的一些概念如电子轨道、电子磁矩、核磁矩、原子势垒等等一些观念。

    物质实体以确定的方式存在,但人们对它们的认识却依赖于人们所赋予它的人们所可能理解的描述。

    原子的存在状态也是如此,人们所选用的原子中的概念仅是为了描述原子事件中事实与理论的对应,并便于被人们的理解。虽然依据传统的物理理论,原子是一个动态的行星式模型,仅从描述原子本身而言,〈实际上,原子任意时刻都会是动态的,除非绝对零度的物质存在状态。因为物质间存在相互作用,物质温度的属性是不能回避的〉我们仍然有理由确定,基本电荷间在特定条件下存在相同的存在状态〈运动状态〉。

    在“电的作用”中我们已确定,在电荷间线度比小于104数量级时,基本电荷间反应在引力和斥力上的特点将不再遵守库仑定律。但是根据电荷对外作用守恒的属性,以及电荷对外空间扩张时张量的属性,仍然可以得到基本电荷对外作用其在空间中的分布规律遵守平方反比定律,只是在我们检验基本电荷对外作用的属性上,而不是吸引和排斥间的作用性质。

    (2)不同运动状态电荷间的相互作用。

    首先发现不同运动状态电荷间的不同相互作用形式之一的实验是奥斯特先生在给哥本哈根的少数几个高年级学生在做一次私人演讲中发现的,他发现放在直流电流附近的一个磁铁,倾向于是自己变得垂直于通过电流和磁铁的平面。这种通电导线的电流和磁铁的相互作用,与电荷间的静电作用是不同的作用形式,通常人们把它叫做磁力。〈关于这一部分内容,你可以参阅“电磁波”〉实际上,这仅是不同运动状态电荷间的相互作用的形式之一。下面,我将这一作用形式进行分析,稍候,将扩展到不同运动状态电荷间普遍的相互作用。

    根据电流产生的磁场在空间分布的规律,在导线中确定电流强度下,距离导线一定竖直空间距离磁场强度的规律遵守平方反比定律。通过这样一个规律,也许你认为这种作用形式已经得到解决,实际上,实际作用途径的关系还不能让人满意。

如图:

当导线AB中存在确定电流时,导线AB对外界一点C并没有电的相互作用。(这样的说法也许并不严格,当AB间的电势差从零伏到某一确定数值如1000伏,或者将AB任一端连接在带有大量静电荷的物质上,另一端连接在普通导体上,那么导线AB中的电荷密度要略大于外界,这样对外会显示电性。)对外成电中性的。对导线外空间不存在静电作用力。这可以采用导线中的正负电荷给于导线外空间一点电的作用

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,大小相等,方向相反,因而空间外任一点不产生电的作用效果来解释。

    我们已经确定了通电导线外一点的磁场是由导线中的电流确定的,那么我们根据磁场和电流间的规律,来看一下两者的作用。

如图:

    在导线AB中选择几个电子并分别给其命名为a.b.c.d.e.f,为了便于描述,忽略掉导线中其它电荷的存在。

    当导线AB短建立一定电势差时,我们知道AB短由于电荷密度差异而对导线中的电荷产生静电作用力,促使导线AB中的自由电子由于电荷密度的差异而发生移动,从而发生类似于电子扩散的一种运动过程。

    由于电子的质量非常微小,电的作用力线相对来说又非常之大,那么,电子的运动过程实际上类似于同时运动,导线AB传导一个电子,实际上是电子Aa.b.c.d.e.f同时运动,从而形成电子的传递。

    导线传导电流的过程中,常规的描述方法存在如下几个关系:

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       1、电压    即电势差。在导线存在状态中,它是和导线ab所接触的两个电源电极上的电荷密度差异相对应的。电压越大,导线两端电荷密度差异越大。

      电荷密度差异与电压的关系依赖于电荷间的相互作用,常规的描述方法对电流数与量间的宏观描述已经很精确了,但对于微观的描述,其需要探讨。由于在电荷间线度比小于104数量级范围内,基本电荷间的关系不遵守平方反比定律,因此对这一问题的探讨还不能找到逻辑上的依据。  

    2、电流    依据常规的定义,它应是单位时间内通过导线某一截面电荷的数量。它是我们探索电荷流动时在导线中分布状态最直接的量。如电荷的运动速度和传递速度。

    3、电阻    它反映的是电荷在导线中运动时和导线相互作用的关系。解决导线传导电流微观状态的一个很重要的关系。

    〈关于导线传导电流的问题,将在关于超导的分析中做讨论。〉

    在如上所列的关系中,我们发现,对于通电到线所处于的状态的描述中,还有一个描述微观物质运动状态很重要的物理量——速度,仅凭如上的关系,我们并不能确定它与电流状态的描述。当然,仅描述电流、电量、电压间数量关系是没有问题的。只是电流是由电荷的运动构成的,电荷在运动变化中会产生对外界的作用,并且与电荷的运动状态有直接的关系。电流的描述状态所反映的电荷的运动状态应该是确定的。

    从传统电流物理量的关系中,并不能确定电荷运动状态间的关系,实际上,物理学中并没有就这一问题给出答案,包括电磁理论中.相应的,在描述微观电荷运动状态对外界的作用中,〈库仑力、洛伦兹力对运动电荷的速度与它所产生的磁场强度存在确定的关系。如果这一确定的关系具有普适性,即。通电导线所产生的磁场是由运动电荷产生的,并且孤立运动的电荷与群体运动的电荷对外作用的属性、相互作用的关系具有等效性,那么,我们可以利用电荷运动状态所对应它所产生磁场的关系来确定电流中的电荷运动状态的关系。实际上,这一关系是不能采用这一方法确定的。或者说仅凭电压、电流、电阻及它所产生的磁场不能确定微观电荷的运动状态。

    主要反映在如下的关系中。

    1、电流的定义

       单位时间内通过导线某一截面的电量。I=Q/t

        2、电流与电压的关系

       电阻确定的一根导线,建立在导线两端的电压与电流成正比。

    3、电流与它所产生的磁场的关系

        通电导线中的电流与它所产生的磁场强度成正比,这一点与电压是无关的。

    如果导线AB通过一个单位的电流,则在导线通电过程任一瞬时,导线AB的某一截面C存在一定数量的可自由移动电荷,如果AB两端电压提高一倍,则截面C的电荷状态有如下几种情况进行选择:

        1、C截面任一瞬时通过的自由电荷不变,但单位时间内通过C界面的电量提高一倍,即.导线中电荷的运动速度提高一倍。

         2、C截面任一瞬时通过的自由电荷增加一倍,但单位时间内通过C界面的电量提高一倍,即.导线中电荷的运动速度不变。

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         3、C截面任一瞬时通过的自由电荷按一定比例提高,但单位时间内通过C界面的电量提高一倍,即导线中电荷的运动速度、导线截面的电荷数量按一定关系提高一定数量,总效果使通过C截面电量单位时间内提高一倍。

        如上三种情况都可以是导线中电荷的运动对外作用的结果同观测到的结果吻合,或者说采用导线中直流电流所产生的磁场在实验结果上来说,时等效的。

         但是,如上三种情况采用能量单位去计量运动的电荷所产生磁场相互作用的总量却是不同的。第一种运动电荷比第三种情况要大的多。如果能量单位采用传统动能的单位,则存在矛盾:

        首先是计量的问题,采用什么样的计量方式。如果采用传统的动能的计量方式。如图:

       假设导线中的原子分布是规则的,电子从一个原子运动到另一

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个原子其路径的距离大致是相同的。或者可以采用宏观统计的方法,对电子在原子中的运动距离进行统计,其结果和我们假设的是相同的。如果建立在导线两端的电压是稳定的,那么电子在导线中运动时收到的作用力在宏观统计上也是稳定的,我们可以采用对宏观统计的结果进行计量。

           在电容的计量公式中,有这样一个关系;电容两个极板上的电压与电量的存储量成正比,根据这一关系,我们有理由确定建立在导线两端的电压同导线中的自由电子所受到的矢量作用力成正比。根据传统的动能定义,电子在导线中从一个原子核运动到另一个原子核所受到的作用力同电压成正比。根据做功关系式W=FS,我们可以得到,从一个原子到另一个原子,电子所受到的作用力所做的功同电压成正比。这样的结果和实验事实是不能吻合的。这来源于电流产生的磁场与电压无关。这是我们根据功的定义所得出的结果,也是传统物理学所得出的结果。进行调节的另一个方面是怀疑传统物理学的定义方法是否合理。即:不能采用传统物理学定义的方法;不能将传统物理学中对电子运动的标志进行能量普适性的扩展。

    (注:电子在导线中运动,一种动能是电子的运动速度所标志的,传统物理学将它判做是产生焦耳热的最直接的原因。对于电流产生的磁场,更确切的说是直流电流所产生的磁场,并没有将它看作能量看待,只有电流产生变化时,仅将磁场作为能量的转化途径,这样的结果是不能令人满意的。因为磁场也会使特定的物质产生运动变化,如对原子产生特定的作用,并改变物质的存在状态。至于是否有能量的转化,这一来与我们判定的方法和原则,如果能量对于物质的运动变化具有普适性,那么,传统的判断方法是不合理的)

           问题是传统的物理理论确定的电子在导体中的是否存在确定的运动状态,一个最直接的关系是利用电子和导体处与不同的运动状态时所产生的磁场,这是我们可以直接检验的量。根据运动力学的一个关系——S=v2/2a,我们采用传统物理根据如上对导线结构的分析,导线中的电荷的运动状态只有第三种情况是可能的。即:

    C截面任一瞬时通过的自由电荷按一定比例提高,但单位时间内通过C界面的电量提高一倍,即导线中电荷的运动速度、导线截面的电荷数量按一定关系提高一定数量,总效果使通过C截面电量单位时间内提高一倍。

       但是如上的方法是行不通的,只是因为电流产生的磁场强度与电压无关。在您怀疑这种说法是否成立的同时,我提的建议是“这只是推测”。物质的运动变化是唯一确定的,而我们所做的只是可能性的探索,我们所做的判断只是那一种更为合理。

              采用传统物理学的方法对电流和它本身产生的磁场去处理,并不是唯一的处理方法。另一种处理方法,在这里不能更为清楚的说明,这是因为还需要相关的科学去解释和说明。

          传统物理学中对此没有处理的一个问题是电子在导体中的运动速度,如果将电子相对于导体不同的运动状态所产生的磁的作用是产生磁场的唯一途径,那么,导体中的电子不同的运动速度将会影响到导线所产生的磁场强度。这也是我们采用试验的方法去求证运动电荷对外作用属性的方法之一。

        导体中原子的结构在宏观统计上来说是唯一的确定,我们通过考察电子通过导线的其中任一段路径进而考察电子在导线运动的整体,这样一种方法应该是合理的。

          如果将导线划分成若干个单位长度,我们仅考察其中一个单位长度,这样会简化好多。下一个问题是导线中电荷的运动数量和导线两端电压的关系。

       假设电子通过一个单位长度所用的时间是一个单位时间。那么,当电子的运动速度提高一倍,则一个电子对导线外一点所产生的磁场强度则是原速度的一倍。不过,由于速度提高一倍,通过的时间则减少一倍,这样,单位时间内单个电子对外界磁的作用总量不变。(一个电子所产生的瞬时磁的作用强度提高一倍)这虽然与经验事实相符。但是,电容的经验公式告诉我们一个事实:一个电容所存储的电量与电容两极电压成正比,这说明导体中的电荷的密度同导体两端的电压成正比。如果导体两端的电压提高一倍,同时导体截面的电量同时提高一倍,那么导体中电荷的运动速度同导体两端的电压成正比显然相差太远。这与经验事实不符,这是不可能的事。

       另一方面,我们所采用试验的方法对导线中运动电荷所产生的磁场进行检测,我们所检测的是导线所产生的磁场强度,经验事实说明,电流所产生的磁场强度与电流的大小成正比,而与电压无关。

    基于如下几个关系:1、导线中的电流与电压成正比     2、电容的电量与电容的电压成正比

      3、电子的运动速度与它所产生的磁场强度成正比     4、导线中的电流所产生的磁场只和导线中瞬时运动的电子有关。

这样,我们不得不得出另一个结论————

电子在导线中运动时其速度近似为一恒量,与导体两端的电压无关。

      即:C截面任一瞬时通过的自由电荷增加一倍,但单位时间内通过C界面的电量提高一倍,即.导线中电荷的运动速度不变。

     这样的结果使我意外

    2000.5.20