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[重复就是力量] 判定实验：“费曼电容器充电”与“坡印廷矢量 Poynting vector”

术语 terminology

坡印廷矢量： Poynting vector

费曼： Richard P. Feynman, Richard Phillips Feynman

费曼物理学讲义： The Feynman Lectures on Physics

电容器： capacitor

电荷： charge

被充电： be charged

磁导率： magnetic permeability

核心：

先做一下电磁屏蔽室里的“费曼电容器充电”判定实验吧！

实验条件、花费等，都不高。

“电磁学的实验再检验”：经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html

一、坡印廷矢量 Poynting vector：费曼物理学讲义（The Feynman Lectures on Physics）的电容器充电

27  Field Energy and Field Momentum 场能量和场动量

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

   But it tells us a peculiar thing: that when we are charging a capacitor, the energy is not coming down the wires; it is coming in through the edges of the gap. That’s what this theory says!

   How can that be? That’s not an easy question, but here is one way of thinking about it. Suppose that we had some charges above and below the capacitor and far away. When the charges are far away, there is a weak but enormously spread-out field that surrounds the capacitor. (See Fig. 27–4.) Then, as the charges come together, the field gets stronger nearer to the capacitor. So the field energy which is way out moves toward the capacitor and eventually ends up between the plates.

   【机器翻译】但它告诉我们一件奇怪的事：当我们给电容器充电时，能量并没有从电线上下来；它是从缝隙的边缘进来的。这就是这个理论所说的！

   怎么可能呢？这不是一个容易的问题，但这里有一种思考方法。假设我们在电容器上方和下方以及远处有一些电荷。当电荷远离时，电容器周围会有一个微弱但分布极广的电场。（见图27-4。）然后，当电荷聚集在一起时，电场在靠近电容器的地方变得更强。因此，向外的场能量向电容器移动，最终在极板之间结束。

图1  费曼 Fig. 27–4.The fields outside a capacitor when it is being charged by bringing two charges from a large distance.

图27-4. 当电容器充电时，相当于是由两个遥远电荷的电场进行充电的。

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f27-04/f27-04_tc_big.svgz

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

感谢有关老师们！

图2  费曼 1965年诺贝尔物理学奖照片 

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/

   还是上照片，照顾一下费曼的情绪吧！大家都不容易，做人要厚道。

   坡印廷矢量 Poynting vector的要点，费曼说：“当我们给电容器充电时，能量并没有从电线上下来；它是从缝隙的边缘进来的。这就是这个理论所说的！”

二、判定实验原理

2.1  判定实验要点

   《电磁学的实验再检验（1）：坡印廷矢量（Poynting vector）只是一种数学抽象？》里建议的判定“费曼电容器充电”的实验，比较容易进行。

   用 2个电阻 R（最好串联一个小阻值电位器）、2个电容器 C 分别串联成 2个一阶 RC电路，使它们具有相同的时间常数。接下来进行 RC 方波充电实验即可。其中一个 RC串联电路在屏蔽室外，另一个里的电容器 C 放置在电磁屏蔽室里（与其串联的电阻放在屏蔽室外）。

   用两个示波器，分别观察两个电容器充电的电压波形即可。

   交换这两个 RC电路，重复上面的实验。

   根据阴极射线、当前半导体电子学等物理事实或现象，可能的推测结果：电磁屏蔽室内的电容器 C ，基本上会和屏蔽室外的电容器一样充电。

2.2  电磁屏蔽室制作

   电磁屏蔽设计，磁导率值越高，屏蔽效果越好。例如：纯度99.9%的铁，相对磁导率 350 000（35万）；镍铁钼超导磁合金 79Ni-16Fe-5mo，相对磁导率 1 000 000（100万）；非晶态合金 Co66-Fe4-B14_Si15-Ni1，相对磁导率 1 000 000（100万）。 

图3  工业磁性材料的相对磁导率

http://img.mp.sohu.com/upload/20170719/39c90bf9d24f4501bd16b6755c9025ef_th.png

https://www.sohu.com/a/158391825_651160

   为增加屏蔽效果，可以双层或多层屏蔽。即，在大体积的屏蔽室里，再放入小体积的屏蔽室。

   电磁屏蔽室，为一个可以打开的盒子。盒子上上留 3个小孔。为增加屏蔽的效果，可以将这些小孔用内壁粗糙的软铁管子进行改造。这些软铁管子可以按照螺线管方式回绕“360+180”度或更多的角度。

   其中 2个小孔刚好让导线穿过，用于将电磁屏蔽室里电容接入回路。另一个用于接入该观察电容器电压的示波器导线。

2.3  要点

   可能存在更好的数学概念，可以更好地描述宏观电磁现象。

   换言之，

   采用更好的自变量，无论是物理上的可测自变量，还是数学上的新型自变量（如类似派生变量 derived variable、主成分分析 principal component analysis），重新化简 1864年麦克斯韦的方程（20变量），有可能会找到更好的“麦克斯韦方程”形式。亦即，不是现在流行的亥维赛形式。

三、最主流的权威依据

   为了防止“非主流、民科”们说闲话，特地提供 3 个“最主流”的依据。

3.1  “最主流”的《中国大百科全书》词条“坡印廷矢量/Poynting vector”

   该词条里面赫然写道“按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。”。

图4  《中国大百科全书》词条“坡印廷矢量/Poynting vector”局部截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

3.2  “最主流”的《中国大百科全书》词条“判决性实验/crucial experiment”

   该词条里面赫然写道“任何一个实验都有其历史局限性，它对假说虽然能起到一定的检验作用，但不可能是一劳永逸的最终判决。”。

图5  《中国大百科全书》词条“判决性实验/crucial experiment”局部截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=407407&Type=bkzyb

3.3  “最主流”的《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law/”

   该词条里面赫然写道“电磁场理论的麦克斯韦方程组是在一些电磁学实验定律的基础上建立起来的，这些实验定律的精度和适用范围都难以言明”。

图6  《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law”局部截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925  

头晕目眩

天旋地转

头痛欲裂

附录：俺“最主流”的其它证据

1.   当前 SI 新安培定义，和俺 2012-04-12 的“第二方案”几乎一样。俺比 SI 早了 6年多

[1] 2020-10-04，[优先权？] 中国人首先提出 SI 基本单位“安培”新定义？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253168.html

[2] 中国科学院科学智慧火花，2012-04-12，SI基本单位中安培定义的两种可能缺陷

http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=4681

http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253075.html

2.  1995年，俺比美国学者早20多年提出新型“半电路、半电磁场”集成电路

[1] 杨正瓴. 一种新型集成电路概念——串音计算. 北京: [N]中国科学报, 2019-08-15, 第7版 信息技术.

http://paper.sciencenet.cn/dz/dzzz_1.aspx?dzsbqkid=33013

http://paper.sciencenet.cn/dz/upload/2019/8/201981505629684.pdf

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348727.shtm

[2] 杨正瓴. 关于“互容”概念的意义. 南京: [J]电工教学, 1995, 17(4): 35-39.

http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=2000725&from=Qikan_Search_Index

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQDZ199504010.htm

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/QK199500046092

3.  俺1990年代提出《电路理论》的“互容”元件，2006年被美国工程院院士李泽元等老师论文里记在俺的名下

[1] Shuo Wang (IEEE Fellow), Fred.C. Lee （李泽元，中国工程院外籍院士，美国工程院院士）, J.D. van Wyk （IEEE Fellow）. Inductor winding capacitance cancellation using mutual capacitance concept for noise reduction application [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2006, 48(2): 311-318. 出版年: MAY 2006

doi:  10.1109/TEMC.2006.873867

https://ieeexplore.ieee.org/document/1634745  

[2] 2023-07-28，[小资料] 将“互容 mutual capacitance”记在我名下的三位 IEEE Fellow s 与院士

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1397056.html

[3] 杨正瓴. 关于“互容”概念的意义. 南京: [J]电工教学, 1995, 17(4): 35-39.

http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=2000725&from=Qikan_Search_Index

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQDZ199504010.htm

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/QK199500046092

4.  俺2012年建议的 SI 新词头，比 SI 早了 10年

[1] 2022-11-24，[建议] Let my 2012 new prefixes be used, please!  请使用我2012年建议的新词头！

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1365158.html

[2] 2012-04-19，增加 SI prefixes 的建议 (Suggestion to add the SI prefixes)

http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-561082.html

5.  俺近年是多个电类专业期刊等优秀审稿专家

   如《电工技术学报》 2022、2013年，SCI 期刊《Protection and Control of Modern Power Systems, PCMP, 现代电力系统保护与控制》2021、2020年，以及《电网技术》、《电力自动化设备》、《电力系统保护与控制》、《中国电力》、《电气工程学报》、《发电技术》、《西安交通大学学报》、《中国科技论文在线》等。排名不分前后。

欢迎在我的博客里、以及其它地方核对以上各种信息！感谢您指出任何错误！

参考资料：

[1] 2022-12-23，坡印廷矢量/Poynting vector/陈熙谋、陈晓林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

   按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。

[2] 2022-12-23，坡印廷定理/poynting theorem/于歆杰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=511222&Type=bkzyb&SubID=134126

[3] 27 Field Energy and Field Momentum - The Feynman Lectures on Physics

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

[4] Richard P. Feynman, The Nobel Prize in Physics 1965

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/facts/

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/

[5] Richard Phillips Feynman, MacTutor History of Mathematics Archive

https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Feynman/

[6] 2023-07-19，判决性实验/crucial experiment/孙小礼撰、王大明修订，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=407407&Type=bkzyb

   能在针对某个确定对象所存在的一系列彼此竞争或对立的理论判断或假说当中，明确并唯一性地确定出实际为真的那个理论或假说的实验操作。

   这种方法被培根称为判决性（decisive）的或裁决性（judicial）的方法或实验。

   从历史的角度看，不但实验本身处于不断的发展变化中，仪器、测量手段在更新，数据处理和计算方法也在改进，导致实验结果的准确度不断提高。此外，与实验相关的各种理论知识也在发展，人们对实验结果的认识和其作用的分析也会随着时间的推移而发生变化。从这个意义上说，任何一个实验都有其历史局限性，它对假说虽然能起到一定的检验作用，但不可能是一劳永逸的最终判决。

[7] 2022-01-20，毕奥-萨伐尔定律/Biot-Savart law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31200&Type=bkzyb

   事实是1820年H.C.奥斯特发现电流的磁效应后不久，J.-B.毕奥和F.萨伐尔即着手研究电流产生磁效应的规律。他们做了几个恒定电流产生磁作用的实验：如一长直电流对磁极的作用力同电流成正比，同磁极到电流导线的距离成反比；再如一弯折成一定角度的电流导线对其顶点外的磁极作用力不仅与电流和距离有关，还与弯折的角度有关。他们在数学家P.-S.拉普拉斯的帮助下，倒推回去，导出上述定律。这种由个别特殊实验导出的普遍规律的正确性，是靠由此得出的一切推论都与实验相符而得到确认的。

[8] 2022-06-04，库仑定律/Coulomb's law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

相关链接：

[1] 2023-07-13，[最主流] 电磁学的实验再检验（1）：坡印廷矢量（Poynting vector）只是一种数学抽象？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395225.html

[2] 2023-07-27，[阶段小总结，要点，小结] “电磁学的实验再检验”相关博文要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396886.html  

[3] 2023-07-23，[讨论] 电磁学的实验再检验（7）：电磁波的刚性（关联“光压”）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396376.html

[4] 2020-07-22，羡慕居里夫妇当初的科研条件

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1243092.html

[5] 2022-07-26，[汇报] 近十多年的时间、精力状态（欠佳）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1348843.html

[6] 2022-09-19，[？？？] 热血沸腾之后，更是“耗尽/耗干”后的无奈（关联资料“集成电路”，诺伊斯 Robert Norton Noyce）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1356020.html  

[7] 2023-07-12，[惊悚、惊喜] 原来我才是“最主流”：反思麦克斯韦经典电磁理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395113.html

[8] 2023-07-14，“电磁学的实验再检验”：经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html  

[9] 2022-07-31，[重贴] 反思麦克斯韦经典电磁理论宣言（附说明）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1349475.html

[10] 2022-06-25，[小结] 我们在物理学上的主要“创新点”（？）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1344493.html

[11] 2019-07-02，记忆：南开大学2008年《科学素质教育课程骨干教师高级研修班》

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1187783.html

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