探究磁场的实质以及洛伦兹力的大小（实验报告）

 温海龙           

摘要：电和磁有太多的相似之处，但是目前只发现电荷存在着单独的一极，也就是说正电荷和负电荷是可以单独存在的。至于磁现象，虽然与电现象有太多的相似并表现出极大的对称之处，但是单独的磁极至今没有被发现，也就是说至今为止，还没有足够的证据表明有磁单极子的存在。

关键词：电荷  磁单极子  安培力  磁场  洛伦兹力  

 首先，在探究磁场的实质前，我先介绍下自己的看法。对于磁场，我的看法是，电场在空间移动留下的痕迹，就是磁场，在某个地方，一个电场刚离开另一个又马上补充过来了，这样不断的连续的离开补充外在表现就是磁场了，也就是说相对静止的电场是电场，不表现出磁场，相对运动的电场产生相对的磁场。

  那么，先来看一个静止的点电荷，在它的周围，辐射似的形成电场（这里多说一句，如果这个点电荷运动的话，就会在原来"静止"的空间形成磁场）。如果是一排点电荷，均匀的排在导线里面，会形成电场线垂直于导线的稳定电场，此时外在表现还看不到磁场。可是，这时候，如果这些点电荷匀速的在导线中运动，这时候磁场就出现了，就会形成方向为环绕着导线的磁感线的稳定磁场。这时候，我有一个大胆的猜测。如果我们的速度跟导线里点电荷速度保持一致，让我们继续保持相对静止，这时候磁场消失了（相当于导线中电流为0，没有电流，也就没有了磁场）！而刚才形成的方向为环绕着导线的磁感线的稳定磁场，这里代表着磁场的磁感线，环绕着电荷运动方向形成了一个个圆环，这一个个圆环又会不会是电荷产生的电场的运动轨迹的外在表现呢？所以，在此我得出结论，电场是主，磁场只是电场非静止状态下的一种表现形式，不论是电场还是磁场，其根源都是电荷。当然，这只是一种简单的推测，不排除有其他情况。

 现在，我们做个试验，如下图所示。

   如图所示，一排带正电点电荷均匀的排在导线里面（图中两条直线中间的一排圆圈），并且匀速的从右向左运动，速度是V，会形成如图所示的环形磁场。同时一带正电粒子A，位于导线上方，也自右向左运动，速度分别为V₁，V₂和V₃，其中V₁小于V，V₂等于V，V₃大于V，现在，我们来分析下粒子A的受力情况。

  现在只考虑粒子A受到的电场力和磁场力（洛伦兹力），在粒子A的三种速度下，所受到的电场力稳定不变，我们记作F，受到的洛伦兹力我们记作F′，现在具体分析下这三种情况。

  当粒子A速度为V₁时，A受到两个力，电场力F，方向向上，洛伦兹力F′，方向向下，所受合力为F-F′，方向向上。

  当粒子A速度为V₂时，在我们外部看来，导线中正电荷速度不变也就是电流不变，外界磁场也就没变，洛伦兹力方向也就没变，这时候A依旧受到两个力，电场力F，方向向上，洛伦兹力F′，方向向下，所受合力为F-F′，方向向上。

  但是，如果我们此时站在A的角度考虑，A的速度与带电粒子速度一致，保持着相对静止，即V₂等于V，也就是说当我们速度与A一样时，对我们来说导线中根本没有电流，没有电流也就没有磁场，也就不受洛伦兹力，即没有F′，只受一个电场力F,所受合力为F。

  继续分析，当粒子速度为V₃时，在我们外部看来，导线中正电荷速度依旧不变，也就是电流依旧不变，外界磁场也依旧没变，洛伦兹力方向也依旧没变，这时候A依旧受到两个力，电场力F，方向向上，洛伦兹力F′，方向向下，所受合力为F-F′，方向向上。

  但是，此时如果我们依旧与粒子A速度保持相对静止，这时候可是V₃大于V，也就相当于电流方向逆转（因为V₃大于V，也就相当于电荷自左向右运动，电流也逆向自左向右了），磁场也就逆转了，磁场方向也变为反向，所受洛伦兹力也就反向了。

  所以，问题的关键是，只有定义好了这个磁场，这个洛伦兹力才能够正确计算出来，同时我也很好奇，这三种情况下粒子A所受的合力，究竟应该是多少？

  我的个人看法和猜测结果是，我个人认为粒子A所受的合力应该按后面那种情况来分析，而不是单纯的认为合力应该是F-F′，比如上文中第二种情况，当粒子A速度为V₂等于V时，粒子A相对于导线中的电荷确实静止不变，就不应该产生磁场作用的洛伦兹力。因为即使它们速度都为0，静止在这里，但是对于别的惯性系来说，粒子A和导线中的电荷都在运动，那么对别的惯性系来说，导线中电荷运动就会产生电流，有电流就会有磁场，而粒子A在这个磁场中运动又会产生洛伦兹力，所以对别的惯性系来说就凭空产生并多出一个洛伦兹力了？所以这根本说不通。我的看法是这类问题，对于这种变化的磁场，应该具体分析它那个状态所处的磁场，来具体考虑和分析，同时我觉得楞次定律在这方面考虑会非常合适。

 并且，在磁场上我还有一些别的看法，我觉得，即使我们表面上看去，那个磁场强度，方向等都完全一样，但实际上可能完全不同。就比如通电导线周围的磁场。理论上只要电流相同产生的磁场就相同。而在这里电流相同的情况可就多了，电流的定义是单位时间内通过的电荷量。所以，在理论上来说，大电荷以较慢速度通过和小电荷以较快速度通过，外在产生的电流效果是相同的，这时候对外界磁场效果也是相同。现在我们假设两条导线C和D中电流相同，C中是大电荷以速度V₁运动，D中是小电荷以速度V₂运动。那么我们以速度V₁在导线C上方运动，对我们来说导线中就没有电流，导线周围也没有磁场，但是同样以V₁在导线D上方运动，因为V₁不等于V₂，所以对我们来说导线D中依然存在电流，导线D周围同样存在磁场。这时候问题就出现了，以同样的速度在同样的磁场中运动，其中一个磁场消失了，一个磁场减弱了，这说明了磁场在强度，方向等这些方面之上，还应该存在着另外一个区分标准，这个标准也在标志着那些表面上看起来完全一样的磁场实际上可能完全的不一样。

  两个同样强度，同样方向的磁场，如果我们静止的观看，可能无法知道他们的差别，但是我们运动起来，或者观察在磁场中物体的运动，我们还是可以发现他们的差别的，或许这个差别可以用磁场的稳定性和另一种方向性来表示。现在，还是用导线中匀速通过电荷来举例，导线中通过点电荷带电量越小，速度越快，外界磁场越稳定，当电荷量无限接近0，速度无限接近无限时（当然是不存在的，这是理想状态），无论外界怎样运动，磁场均匀不变。同样正电荷向正方向运动和负电荷反方向运动产生的电流效果和磁场效果也是可以相同的，这里可以用磁场的另一种方向性来表示。在这两个基础上，同一条导线中，大小电荷混合，正负电荷同时反向运动，也同样可以形成一个稳定电流，这个稳定电流周围也就存在了一个不同磁场叠加在一起形成的混合磁场，而这个磁场还可以看起来是一个均匀，单一和简单的匀强磁场。

注：本文发表在期刊《河北农机》2016年第4期，欢迎阅读！