电磁学的几个新推论.PDF

电磁学的几个新推论 1 2 张操 ，樊京 （1.复旦大学，核科学与技术系，上海 200433；2.南阳理工学院，电子与电气工 学院，南阳 473004 ） 摘要：实验表明，在直流电路中金属导线的分界面，由静电场环路定理构成的矩形小回路 在边界上并不成立。在金属导线的外部和内部边界，电场强度沿导线的纵向分量不需要相 等。在直流电路的情况，坡印廷矢量仅仅是一个数学定义，事实上没有形成真实的能流， 所以没有电磁能流从金属导线外部传输到导线内部。直流电能完全是在金属导线内传输的 。这篇论文还给出了初步测量电场瞬态分布速度的实验结果。 关键词：电磁学，直流电路，金属导线的边界条件，坡印廷矢量，电场重新分布速度 引言 在电磁学教科书上，电场强度沿金属导线表面的外部和内部的切向分量是相等的，即 连续的。可是实验表明，这个边界条件对于直流电路的金属导线边界并不成立。 根据库伦定律，静电场是无旋纵场。在直流电路中，金属导线中的直流电场也是纵场 。虽然静电场与直流电场有一些相似性 [1- 3] ，可是实际上有很大的差别。为了简化讨论，本文把稳恒电流简称为直流电，并且利用 简单的直流电路进行分析和推导。典型的直流电路具有一个电池，电池二端由金属导线串 联几个负载电阻。 电磁学教课书上的相关理论认为：直流电源中的能量不是通过导线内的电流传输到负 载电阻，而是通过导线周围空间的电磁能流从侧面输入导线以及负载电阻的。下面的图示 是从文献[3] 引用来的。 图1 直流电路中电磁能流的示意图 在图示1中，箭头代表电磁能流，即坡印廷能流矢量。 我们进行了简单的实验，容易证明上述学术观点的错误。因为静电场是可以用金属外 罩屏蔽的，所以我们做了几个试验。我们在上述直流电路中串联了一个电流表，a).用金属 盆屏蔽电池；b).用金属盆屏蔽电阻；c).采用有金属屏蔽的同轴导线。结果是：电流表的电 流读数基本不变（大约100mA，4位有效数字不变）。这些试验表明，直流电路外面的电场 分布（包括金属导线界面外的电场）发生了很大的变化，可是对于金属导线内的电场基本 上没有影响。 金属导线中的直流电场与传导电流相关，它与静电场是有重要差别的。本文表明，在 金属导线外部，仅仅有稳定的环型磁场以及静电场，坡印廷矢量仅仅是一个数学定义，没 有形成真实的能流，没有电磁能流从导线外部传输到导线内部。 这个推论与电磁学教课书上的“结论”十分不同。 1. 直流电路中金属导线界面电场的边界条件 金属导线是良导体。在通常情况下，金属导线是电中性的。导线内部的自由电子的负 电荷与的导体晶格点阵的正电荷总数相等。对于电中性的金属导体，当通有稳恒电流时， 在导体外部存在环形磁场H ，其方向可用右手螺旋定理确定。 金属导线内自由电子的运动速度是很慢的，小于 1cm/s。可是电路中电能的传播速度是非常快的。很多人认为，金属导线内电流的传输速度 几乎等同于真空光速c 。例如在电路的开关闭合时，电路中的电灯几乎是在一瞬间同时光亮 。由此可见，电路中的电能主要是由电场传输，而不是由导体内的自由电子运动传输的。 金属导线中的直流电场与静电场有一定的相似性，它们都是纵场，都是有源场，电场 都不随时间变化。另一方面，这二个场又有重要的差别。 在金属导线的外部，静电场服从静电场环路定理：  E dl  0 (1) A L 它的微分形式可以写为： E  0 (2) 也就是说，静电场是无旋场以及保守场。 然而，在金属导线中的直流电回路中，由于有非静电场强的电源存在，公式 (1) 和 (2)并不严格成立。在直流电路中，欧姆定律起了重要的作用。欧姆定律的微分形式可以写 为：