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经典教材/著作中的经典内容也会出错之一例 精选

已有 7222 次阅读 2025-2-1 12:21 |个人分类:大学教育|系统分类:教学心得

考虑一个体积为$V$ 的弹性固体磁介质,在其中施加均匀磁场$H$,我们知道,当磁化强度$M$增加无限小量$dM$ 时,外电磁场对整个介质做功$∫HdMdV$ (不计真空磁导率),其中$M$ 表示磁化强度,定义为单位体积内所有磁偶极矩的总和。由于磁化强度是均匀的,$M$ 在整个介质的每一点都取相同的值。在文献中,我们有两个不同的结果,一个是 $∫HdMdV=Hd(MV)$ ,另一个是$∫HdMdV=VHdM$ 。这两个结果的不同之处在于前者是$Hd(MV)=VHdM+HMdV$。这两个结果是不同的,问:$Hd(MV)$ 还是 $VHdM$ 哪一个是正确的?

Mandl(在他的经典著作《统计物理学》第二版,John Wiley,1988,第22-23页)认为两者是等价的。为方便起见,附上了相关页面。

\"Mandl.png\"/

我的回答:

磁场 $H$ 相当于力 $F$ ,$dm$ 相当于 $dx$ ,其中 $m=MV$ 和 $x$ 都必须是广延量。因此,只有 $HdΔm$ 是合法的,其中 $Δm$ 是小体积 Δv 中的总磁偶极子。一旦接受了这一点,$HdΔm=Hd(ΔmΔvΔv) = HdMΔv$ 其中 $M=ΔmΔv$ 。只有在这个意义上,$∫HdMdv$ 或 $∫HdMdV$ 才有意义,其中 $ΔM$ 和 $Δv$ 都包含广义力 $H$ 作用的广义位移的响应。

因此可以说,只有 $Hd(MV)=Hdm$ 是正确的。

——————

网友 hyportnex 对我回答的评论(附Google 翻译)

I see what you mean but I think you got confused by the intensive/extensive distinction made in chemical thermostatics. That distinction has no real relevance to force fields with non-local interactions. A density of the extensive quantities of electric charge and polarization or gravitational mass is not extensive even though they are directly affected by the forces of the field. In practice, you cannot avoid accounting for the forces/work/energy per unit mass or per unit volume, check out magnetostriction. The distinction between intensive and extensive quantities is not foundational. – hyportnex Commented ago 

我明白你的意思,但我认为你对化学恒温学中的强度/广度区别感到困惑。这种区别与具有非局部相互作用的力场没有实际关系。即使受到场力的直接影响,广度电荷和极化或引力质量的密度也不是广度的。在实践中,你无法避免考虑单位质量或单位体积的力/功/能量,请查看磁致伸缩。强度和广度量之间的区别不是基础性的。– hyportnex



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IP: 120.231.180.*   回复 | 赞 +1 [6]池德龙   2025-2-6 15:54
  
IP: 219.239.227.*   回复 | 赞 1 +1 [5]王安良   2025-2-4 06:02
昨晚,做梦都在思考刘老师这个问题。
“积”、“磁”均是物质的属性(广延量)。物理上的等体积(等磁容)过程与数学上的描述是有区别的,至少分为光滑(可微)和粗糙(不可微)两类。这就造成两种数理表达式,物理内涵不同,数学结果不同是正常的。
回复  统计物理中常常成为两个极限:物理极限和数学极限,这两个极限的次序不可交换。
2025-2-4 09:361 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  赞同。
2025-2-6 05:502 楼(回复 1 楼) 赞 +1 | 回复
IP: 59.152.39.*   回复 | 赞 2 +1 [4]王虹宇   2025-2-3 13:20
这俩的区别就是加磁的时候有没有体积变化对吧?
回复  虹宇兄沉寂很久了啊。出手不凡,果然犀利。
很多人也这样想,我也曾这样想。后来想起朗道的《连续介质电动力学》和杨振宁先生的提示:只有问题,不分电磁学问题和热力学问题,因此,不能说体积改变与否的问题。只看真实的物理问题,这样就只有一个答案了。
另外,HMdV不见得只在体积变化时存在,徐一鸿先生(《物理夜航船:直觉和猜算》)说过,压强的“高级定义”就是单位体积中的能量,即能量密度。因此,体积不变的时候,它能用来刻画压强的增加,有的文献称之为magnetic pressure。
2025-2-3 15:481 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 58.20.30.*   回复 | 赞 +1 [3]刘全慧   2025-2-3 08:38
我也在知乎上转载了此文。https://zhuanlan.zhihu.com/p/20939243078

中外网站上的反馈不多,但是都是正面的。
如果获得确认,则对国内外教材中流行了至少70年的观点进行了批判并给出了正确的结果。
IP: 58.20.30.*   回复 | 赞 +1 [2]刘全慧   2025-2-3 08:21
感谢小编,博文今天还能编辑!终于成功加载上了图片。
IP: 58.20.30.*   回复 | 赞 +1 [1]刘全慧   2025-2-1 16:05
问题讨论网站
https://physics.stackexchange.com/questions/841037/f-mandl-writes-two-forms-of-magnetic-work-and-claims-that-they-are-equivalent
google翻译不太准确。

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