涡旋电场的本质

2022-05-10 20:14阅读：

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1. 引言
麦克斯韦的感生电场假说指出:变化的磁场在其周围空间激发感生电场,与空间有无导体、导体回路无关，这种感生电场为涡旋电场。从表象上看，变化的磁场能够产生电场，但是，变化的磁场是从哪里来的？我们知道：电场是由电荷产生的，磁场是由运动的电荷产生的，可见，变化的磁场只是一个中间过程，磁场真正的来源是电荷的运动，可以说，变化的磁场来源于电荷的变速运动，变化的电场也来源于电荷的变速运动，因此，变化的电场与变化的磁场同源，不存在谁激发谁。
2. 直导线的电场
直导线周围的电场是怎样的？我们知道：导线中的电势是由于电子密度的分布不均产生的，而导线中的电流是由于电子密度的分布不均所引起的电子流动。电子密度在导线中的传播称为电击波，其传播原理与水击波相同（请参阅博文《导体中电流形成的原因》）。
在导线中，只要存在净电荷，就一定存在电场，如果忽略导线的电阻，在稳恒载流导线周围没有轴向电场，但存在径向电场，在本文中，只讨论轴向电场。

涡旋电场的本质

可以看出：线圈中的磁场与导线中的电流成正比，而电场与电流的变化率成正比，涡旋的电场与静电场具有相似的性质，产生涡旋电场的源也是电荷，只是电荷一直在变速运动。
4. 讨论
4.1. 为什么线圈具有电感？
在低频电路中，线圈中相邻两导线的电流方向总是相同的，所产生的外部电场也是相同的。当线圈中的电流变大时，相邻导线中的电流所产生的电场方向与电流方向相反，导致了对电流增加的阻碍，当电流变小时，相邻导线中的电流所产生的电场方向与电流方向相同，同样也导致了对电流减小的阻碍。如果导线中电流变化的角频率ω比c/2l大，线圈的电感就会下降，因为一部分导线中的电流是反向的。
可见，线圈中的电感是由涡旋的电场产生的，其原因是涡旋电场对电子的作用。
4.2. 涡旋电场力是洛仑兹力吗？
曹饶辉先生在《一个虚拟的电场—涡旋电场》中，认为涡旋电场力的本质就是洛仑兹力的一个分力，涡旋电场线是这个分力线。涡旋电场是个等效电场，并非真实存在，电磁感应的机制就是洛仑兹力做功。这个观点不一定正确，如图3所示，变压器的初级和次级分别在不同的铁芯上，初级线圈所产生的磁场主要集中在铁芯内，外部的磁场强度可以忽略，但次级线圈中仍然可以产生感应电流，变化压器次级线圈中的电子感觉不到磁场的存在，洛仑兹力也就无从谈起。

涡旋电场的本质

4.3. 铁芯中的磁场是如何产生涡旋电场的？
铁磁体与铁电体非常相似：在许多物理性质上具有一一相对应关系，如电畴对应磁畴，顺电铁电相变对应于顺磁-铁磁相变，电矩对应磁矩等，二者具有如下共同特性：具有相同特征的滞回线；具有结构相变温度，即居里点；具有临界特性。
只要电荷运动，必然产生电和磁，可以说电和磁是伴生的。从铁磁体与铁电体的比较可以作如下假设：具有铁磁体的物体也同时具有铁电性。
如果假设正确，铁磁体就是电和磁的放大器，并且对螺旋线圈所产生的电场和磁场都具有放大作用，也就是说，涡旋电场是导线产生的，铁磁体只是起到放大和传导作用而已。
为什么磁体的运动也能产生涡旋电场呢？这可能就是曹饶辉先生所说的那个虚拟电场。
4.4. 磁能贮存在哪里？
广泛应用的磁能贮存是超导贮能，它只有线圈，没有磁芯。磁能是贮存在磁场里吗？显然不是，因为磁场是电流产生的，没有电流也就没有了磁场。很明显，如果忽略电阻，导线中的能量就是自由电子的定向动能。例如：半径为1毫米，长度为1米，电流为1A的铜导线中，自由电子的质量为2.43x10^-7kg，电子的定向速度为2.34x10^-5m/s，可以求出自由电子的的能量为E= 0.5mv² = 6.65x10^-17J。但如果把这根导线绕成直径为20毫米的线圈，可以得出：线圈的电感L= 2.36x10^-6 H/m，所贮存的能量E= 0.5Li² = 1.28x10^-6J。为什么会有如此大的差别？这就是涡旋电场的作用，因为当电子的动能减少时，会有一个电场不让它减少。
可以看出：磁能的原始能量是电子的动能，如果电子的速度保持不变，就没有涡旋电场，但当电子的速度减小时，所产生的涡旋电场会阻止相邻导线中的电子速度减小，其结果就是把电子的动能放大。
5. 结论
涡旋电场表面上看是由变化的磁场产生的，但变化的磁场又是从哪来的？归根到底它们都是由变化的电流产生的，长螺旋线圈的外部没有变化的磁场，但却存在变化的电场，所以，变化的电场产生磁场的说法并不成立，变化的磁场产生变化的电场也只是表面现象。涡旋电场的形状与产生它的导线形状有关，可以说：没有变化的环形电流，就没有涡旋的电场。

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