朱木清

(武漢市黃陂區(qū)第一中學(xué) 湖北 武漢 430300)

讀了“跳環(huán)實(shí)驗(yàn)的啟示”[1](以下簡(jiǎn)稱余文)，對(duì)作者實(shí)驗(yàn)探索追求科學(xué)真諦的精神很是欽佩，但筆者以為余文對(duì)實(shí)驗(yàn)所做的理論分析存在錯(cuò)誤，以及對(duì)楞次定律的質(zhì)疑有必要澄清.

余文通過(guò)圖像分析跳環(huán)實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：原線圈中所通交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，與副線圈(套環(huán))中感生電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，二者方向關(guān)系是，任一個(gè)周期T內(nèi)，兩次相同，兩次相反，而且總是同反相間，時(shí)間均等.方向相同時(shí)，其作用是吸引；方向相反時(shí)，作用是排斥,故磁場(chǎng)力作用的平均值為零.若不計(jì)環(huán)的重力，環(huán)只能靜止；考慮環(huán)的重力，環(huán)不能“跳起”，用楞次定律解釋出現(xiàn)困難.

同時(shí)，余文作者又做了無(wú)鐵芯和不同軸磁擺實(shí)驗(yàn)，用同樣的分析方法，得出同樣的結(jié)論，以證實(shí)“磁滯說(shuō)”對(duì)跳環(huán)實(shí)驗(yàn)解釋不通，認(rèn)為“教科書(shū)表述的楞次定律不能解釋上述種種現(xiàn)象”，“定律的描述存在問(wèn)題”.

筆者認(rèn)為，余文論述中存在的錯(cuò)誤在于：一是對(duì)套環(huán)中發(fā)生的電磁感應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單化了，二是沒(méi)有弄清套環(huán)中感生電流i2與其感生電動(dòng)勢(shì)e2之間存在相位差.為節(jié)省版面，以下用通俗的方法做簡(jiǎn)要分析.

在如圖1所示的跳環(huán)實(shí)驗(yàn)中，套環(huán)中發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象包含著兩個(gè)物理過(guò)程：一是原線圈電流i1的磁通Φ12的變化在套環(huán)中產(chǎn)生的“互感”；二是自身電流i2的磁通Φ22變化產(chǎn)生的“自感”(無(wú)需分析電流i1的磁通Φ11變化在原線圈產(chǎn)生的“自感”，也無(wú)需分析套環(huán)電流i2的磁通Φ21變化對(duì)原線圈產(chǎn)生的“互感”).只要套環(huán)中電流變化，無(wú)論有無(wú)鐵芯，套環(huán)“自感”必然伴隨發(fā)生.套環(huán)中的實(shí)際電流i2取決于互感電動(dòng)勢(shì)e2和自感電動(dòng)勢(shì)eL的迭加(代數(shù)和).

類似于，質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)中的牛頓第二定律

合外力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、產(chǎn)生加速度的外因，質(zhì)量是物體慣性大小的量度，是阻礙物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化(企圖保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變)，而非阻礙運(yùn)動(dòng)自身的內(nèi)因.物體的加速度正是在這一對(duì)矛盾的對(duì)立統(tǒng)一體中形成的產(chǎn)物.在套環(huán)回路中，互感電動(dòng)勢(shì)e2是形成感應(yīng)電流i2的“改革推手”，自感電動(dòng)勢(shì)eL則是阻礙自身電流i2變化的“保守力量”，類似“電阻”作用，使得套環(huán)中感應(yīng)電流i2比e2相位滯后一個(gè)角度——阻抗角φ.實(shí)際電流i2由兩方面的共同作用決定.對(duì)此，余文忽略了自感作用過(guò)程.

圖1

通常，把自感電動(dòng)勢(shì)eL作用稱之為“電磁慣性”.對(duì)套環(huán)中因自感導(dǎo)致感應(yīng)電流i2比e2相位滯后的現(xiàn)象，可以根據(jù)含源全電路歐姆定律，通過(guò)簡(jiǎn)諧函數(shù)運(yùn)算或圖像刻畫(huà)反映，也可把這種阻礙自身電流變化的作用等效為一個(gè)“電阻”(稱為感抗XL=ωL)，引入復(fù)阻抗概念

借助三角復(fù)數(shù)法或向量圖示法描述.簡(jiǎn)述如下：

(1)根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，原線圈電流i1對(duì)套環(huán)提供的磁通Φ12相位相同.

(3)由于套環(huán)本身電流的磁通Φ22變化產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)eL，阻礙自身電流i2變化，產(chǎn)生的感抗XL=ωL，使得套環(huán)中電流i2比e2相位滯后一個(gè)阻抗角φ.

圖2

由圖2不難看出，在一個(gè)周期內(nèi)，時(shí)間段AB和CD中,套環(huán)的感應(yīng)電流i2與原線圈中電流i1反向,套環(huán)受到斥力(向上)；時(shí)間段BC和DE中，套環(huán)的感應(yīng)電流i2與原線圈中電流i1同向,鋁環(huán)受到引力(向下)，由于多數(shù)時(shí)間受到向上的斥力，一個(gè)周期內(nèi)磁場(chǎng)力的平均值為斥力(向上).選擇輕重不同的鋁環(huán)做實(shí)驗(yàn)，由于周期很短，可能看到鋁環(huán) “懸浮”(振幅很小觀察不出來(lái))或者 “跳起”.如果周期足夠長(zhǎng)，還可看到小幅振動(dòng).可見(jiàn)，在套環(huán)中插入鐵芯，感抗XL=ωL作用增強(qiáng)，電流i2比e2相位滯后的一個(gè)阻抗角φ增大，增加了電流反向和斥力時(shí)間，是“浮”和“跳”的關(guān)鍵.因此，跳環(huán)實(shí)驗(yàn)中，環(huán)中感生電流i2與其感生電動(dòng)勢(shì)e2之間存在相位差起著決定性作用，這就是“磁滯”解釋的核心.

本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也可用楞次定律解釋，并且完全一致.只是，用楞次定律解釋本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需依據(jù)獨(dú)立作用原理分層思考.

(1)在本實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)想沒(méi)有自感作用，約定φ12正方向跟原線圈電流i1正方向一致，若i1=Imsinωt，則Φ12=Φmsinωt.根據(jù)楞次定律的法拉第電磁感應(yīng)定律有

圖3

圖4

(3)再將原線圈電流i1、套環(huán)因互感產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e2，實(shí)際電流i2三者畫(huà)在同一圖上(即圖2)，此時(shí)的實(shí)際電流i2是包含了環(huán)中互感和自感兩個(gè)作用過(guò)程的結(jié)果，想用一兩句話直截了當(dāng)、簡(jiǎn)明扼要地說(shuō)明i2對(duì)i1的“阻礙”“變化”作用，就勉為其難了.因涉及連串的變化率概念，還必須定量推導(dǎo).總之，楞次定律與跳環(huán)實(shí)驗(yàn)并不抵觸.

參考文獻(xiàn)

1 余念祖.跳圈實(shí)驗(yàn)的啟示.物理通報(bào)，2012(12):104～106