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[讨论] 电磁学（物理学）的基础：磁场的起因

物理学，归根到底是实验科学。

本文的目的：

（1）请“实验物理学家”做实验。

（2）请“理论物理学家”提供更多的类似现象。

    1971年Williams, Faller, Hill 在《Physics Review Letters》发表“New experimental test of Coulomb's law: a laboratory upper limit on the photon rest mass”，宣称库仑定律精确成立。

    假如这是真实的，则表明两个相对静止的点电荷之间没有观测到相互的磁力作用，而只有库仑力的静电相互作用。

    在安培力（Ampère's force）公式里，只要两个电流I₁、I₂的大小一样，则在电流方向相同时的吸引力，以及这两个电流方向相反时的排斥力的大小是相同的。这与毕奥－萨伐尔定律（Biot–Savart law）一致。

（1-a） 安培力（Ampère's force）公式

（1-b） 安培力（Ampère's force）公式

（2） 毕奥－萨伐尔定律（Biot–Savart law）

    问题在于，洛伦兹力（Lorentz force）与电荷和磁场之间的相对运动速度有关系。所以，当两个平行导线里的电力方向不同时，代入洛伦兹力公式里的速度V的数值是不一样的。因此两个载流平行导线之间的磁力，与电流方向有关系。亦即安培定义缺少电流方向的说明。

（3） 洛伦兹力（Lorentz force）

    对于点电荷（按“速度v”做匀速运动），麦克斯韦理论给出的其激发的电场和磁场为：

    都是与“速度v”有关的。

问题在于，“速度v”到底是什么？

法拉第圆盘发电机（Homopolar generator: Basic Faraday disc generator）

在不同的惯性系里，“速度v”需要根据不同的观察者的速度V进行调整吗？

    考虑三根平行导线a、b、c，且该三根导线的直径、材料等均相同。这三根平行导线的横截面呈等边三角形。即如纵向看为平行导线，则横向看其位置为等边三角形。

    假设导线 a、b 、c 均通过不同强度的稳恒直流（方向大小都不变的电流），这样对导线c而言：导线 a、b里的电子（电场）速度不相等。

    第三根导线c受到的洛伦兹力该怎么计算？

    ① 分别计算与导线 a、b之间的洛伦兹力F_ac、F_bc，再进行矢量合成(F_ac + F_bc)。

    ② 先计算导线a、b产生的磁场B_a、B_b，用矢量合成的磁场(B_a + B_b) 来计算洛伦兹力。

    以上两种计算结果相同吗？

    假如不同，那个更正确？

    核心：洛伦兹力，依赖于电场（电荷）之间的相对速度。

问题：

    （1）假如库仑定律成立，且磁场与电荷的相对运动速度有关，则在安培力定律（Ampère's force law）中I₁、I₂的大小，需要考虑它们之间电场或电荷的相对运动“速度v”吗？

    （2）1825年Ampère的以及1833年Gauss的实验，实验精度是否足够高？实验现象的解释是否合理？

    以下思考题均属于宏观范围问题，请不必考虑量子力学。亦即只在经典电磁学和相对论的范围内思考。

思考题一：

    在一个无限大均匀静电场E里，

    ① 一个点电荷q按图示方向以“速度v”做匀速运动。请问，该点电荷q会受到磁力的作用吗？

    ② 反过来，该点电荷q静止，均匀静电场E（和平板导体）以“速度v”做匀速运动。请问，该点电荷q会受到磁力的作用吗？

思考题二：

    在上题里，点电荷换成一个均匀的载流导线，且该导线里流过电流强度为I的稳恒直流。

思考题三：

    不妨假设上面的“一个无限大均匀静电场”是由平行导体板构成（类似平板电容器）。假设上下两个导体板都做匀速运动，且v₁、v₂方向相反。请问，这两个导体板之间会出现磁力的作用吗？

Homopolar generator: Basic Faraday disc generator

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Faraday_disc.jpg

Michael Faraday's experiments in 1831.

相关链接：

[1] “高等学校青年骨干教师高级研修班”大会报告，地点：南开大学 二主楼A203，时间：2008-11-12 上午，《逻辑方法的局限性》.

[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

[3] Williams E R, Faller J E, Hill H A. New experimental test of Coulomb's law: a laboratory upper limit on the photon rest mass [J]. Physics Review Letters, 1971, 26(12): 721-724.

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.26.721

[4] Ampère's force law- From Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A8re%27s_force_law

[5] 科学出版社，2015-08-10，科学上过分漂亮的结论很有可能是以无中生有的方式编造出来的 精选

http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-911890.html

(3) 19 世纪伟大的化学家道尔顿(J. Dalton, 公元1766~1844), 他发明了化学链法则并证明了不同种类原子的存在, 并发表了一系列高深的实验结果. 但是当代的化学家没有一个能再现他所发表的实验结果.

(4) 美国物理学家密立根(R. Millikan, 1868~1953), 由于他首先测量了电子的电荷而荣获诺贝尔物理学奖. 但是为了让他的实验结果看起来比实际结果更具说服力, 用大量数据伪造了他的工作.

[6] 2016-09-06，一年了，没有人理俺（安培定义的物理实验检验）

http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1001173.html

[7] 2015-09-06，rainsnow 老师：我的担忧并没有消失！！

http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-918874.html

感谢您的指教！

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