磁陀螺运动与现代物理学漫谈6——重论法拉第力线范例.doc

磁陀螺运动与现代物理学漫谈（6）——重论法拉第力线 重论法拉第力线 ——对法拉第磁力线形成的物理原理及其应用的探讨 司 今 （广州毅昌科技研究院 广州 510663 E-mail:jiewaimuyu@126.com） 摘 要 ：英国物理学家法拉第于1831期间在研究电磁感应现象时形成了“力线”思想，他用磁力线、电力线来描述磁铁与带电金属球体周围的力分布“状态”；至于这些力线是如何形成的？它包含什么物理含义？等实质性问题，法拉第并没有给出明确解释。 法拉第力线无疑是目前场物理学研究中最重要的场物理模型，但它也存在一定缺陷；找出磁力线产生的物理机制及其代表的物理意义，对考究场理论建立的基础是否牢固、正确，无疑是最佳的楔入口。 本文正是沿着这一思路，尝试性地探讨了法拉第力线形成的物理机制及其原理（磁极矩原理），并将这一原理运入到偶磁极自旋体（如磁陀螺、自旋磁粒子、自旋星体等）在磁场中运动的讨论中，从而解惑了很多现代物理学存在的谜团。 关键词：磁极 磁力线 磁力矩 磁陀螺 磁偶极子 自旋磁子 中图分类号： 0441 文献标识码：A 0 引言 法拉第“发明”磁力线无疑是场物理学发展史中一大创举，它不仅使抽象的场概念直观化，也给高斯、麦克斯韦电磁波理的出现论指明了方向；高斯通过磁通量将场空间分布属性几何化，麦克斯韦二“论法拉第力线”，从流体力学概念出发为它建立了一套数学描述格式；我这里“重论法拉第力线”，从“磁极矩原理”出发，想为它建立一种力学描述形式。 我们知道，法拉第力线是由磁体对撒落在其周围铁粉磁化并产生重新排布现象而抽象出来的、一种关于“磁场”理论的物理模型；磁场是真实存在的，但磁力线客观存在是为了形象磁场而人为假想的线……，……，…… 法拉第力线模型在解决电磁学的一些运动现象时是不够彻底、深刻的，当电子进入“量子力学”空间时，发现它有自旋磁矩，就更显示出了法拉第磁力线模型的弊端来。 那么，我们应该建立一个怎样的“场”物理模型才能够使量子力学所描述的一些带场的粒子运动图景清晰起来？这是摆在目前场物理学发展里程中不可逾越的巨大障碍！ 解铃还须系铃人，追根溯源，探寻法拉第力线形成的物理机制和物理本质很有必要。 1 磁极与磁库伦定律 人类发现磁现象要发现电现象早最早发现磁现象是从磁铁开始的，磁铁有 N、S 两极，它们同号相斥、异号相吸，于是人们假定，在一根磁棒的两极上有一种叫做磁荷的东西，N极上的叫正磁荷，S极上的叫负磁荷，同号磁荷相斥，异号磁荷相吸后来发现电现象也有类似情况，电荷也有正、负两种，它们也是同号相斥、异号相吸。如图-1，如果将一块条形磁铁投入到碎铁屑中，再取出时可以发现，靠近磁铁二极的地方吸引的铁屑特别多，即磁性特别强，这块磁性特别强的区域就称为磁极，中部没有磁性的区域叫做磁中性区；磁极之间遵循“同极相斥、异极向吸”原则。 从广度和深度而论，磁铁的这些特性对与宏观的偶磁极恒 图-1 星、行星、磁陀螺、小磁针等，微观的偶磁极原子核、质子、中子、电子等应都适用。 1.2 磁库伦定律 库伦在用“扭秤”（如图-2）测得点电荷之间的相互作用力服从平方反比分布关系之后，直觉地感到磁极之间的相互作用力也服从类似的关系；与电偶极子类比，一个小磁针也可以看成是一个“磁偶极子”，在它的两端各带有正负磁荷（设N极带正磁荷+qm，S极带负磁荷-qm）。如图-3所 图-2 图-3 示，库伦用类似电“扭秤”原理精心设计磁“扭秤”实验，最终证明，磁极（又称点磁荷）1、2之间也服从类似点电荷之间的磁库伦定律，即F=kmqm1qm2/r2. 1.3 磁性起源 在磁物理学发展史中，关于磁性起源问题存在二种观点：最先出现的是“磁荷”观点，后来安培提出了“分子电流”观点；这二种观点至今还深深地影响着现代物理学。 今天，磁起源的电流观点因其能够完满地解释各种实验现象而得到了公认磁荷观点却一直找不到磁单极渐为人们淡忘。 其实，用磁荷观点建立起的一套理论，与电学理论具有明显的对称性，磁荷理论阐述的一系列定理、定律和公式，以及用它们所做的问题计算不仅同样有效，而且有时更为简洁和便于记忆，其根本原因就是，虽然至今没有发现磁单极，但磁偶极子确存在。磁偶极子实际就是一个小圆电流的等效模型，电流说磁荷说两种理论观点正是通过小电流环— —磁偶极子这个两重性模型联系。其实，磁性起源应包括二个方面：（1）公转生磁，（2）自旋生磁；但现代物理学只一味地强调用分子电流观点（即公转生磁）去认识磁性起源，这就深深掩盖了自旋生磁现象的存在，它留给量子力学