朱昱昌

摘要：本文通過類比推理 闡述了磁通變化在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中激發(fā)電流，輸電線路中的電流是由發(fā)電機(jī)輸出的電流。激發(fā)電流離開轉(zhuǎn)子就是輸出電流。輸出電流就不是磁通變化在輸電線路中新激發(fā)的電流。同理，電流環(huán)也存在激發(fā)磁場和環(huán)流磁場這樣兩種緊密相連卻又意義不同的磁場。在電流環(huán)的內(nèi)部空間即從等效S極到等效N極是激發(fā)磁場。在電流環(huán)的外部空間由等效N極到等效S極的磁場是環(huán)流磁場。

關(guān)鍵詞：閉合回路 ? 電磁感應(yīng) ?電磁實(shí)驗(yàn) ?激發(fā)磁場 ?環(huán)流磁場 ?代數(shù)疊加

引言

電磁場理論屬于基礎(chǔ)物理范疇。我認(rèn)為電磁場理論的突破無非有兩種可能：一個(gè)是從實(shí)踐到理論，即在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，需要上升到理性認(rèn)識(shí)。這個(gè)突破容易被專家、大師們接受。另一個(gè)是從理論到實(shí)踐，即發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論中存在矛盾，需要經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證。這個(gè)突破容易走彎路。往往是一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)矛盾以后寄希望于專家、大師們認(rèn)可。而專家、大師往往又陷入自證誤區(qū)。你否定什么，他就用什么反駁你，讓你疲于打口水仗。其實(shí)，我們發(fā)現(xiàn)矛盾以后就應(yīng)該尋找電磁實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過電磁實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)以后再找專家、大師們論證。在電磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前，任何與電磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾的論述都無言狡辯。大師也不例外。

一、提出問題的依據(jù)

為什么要提出“電流環(huán)等線圈究竟在哪里激發(fā)磁場”？依據(jù)就是在《電磁學(xué)》教材中存在3個(gè)很矛盾的論述。

第一個(gè)是說：電流環(huán)既在內(nèi)部激發(fā)磁場也在外部激發(fā)磁場。請(qǐng)看《電磁學(xué)》P97頁圖2—21求圓線圈軸線上的磁場。這個(gè)電流環(huán)在圓心處即電流環(huán)與軸線的正交處激發(fā)磁場B=μ0I/2R。這是電流環(huán)在軸線上的最大值，離電流環(huán)圓心越遠(yuǎn)越小。言外之意，就是所有的磁感應(yīng)線都是電流激發(fā)所致，只是沒有找到計(jì)算公式而已。

第二個(gè)是說：電流元只在螺線管內(nèi)部不在電流環(huán)內(nèi)部激發(fā)磁場。請(qǐng)看 《電磁學(xué)》P101頁圖2—27環(huán)向電流筒軸線上的磁場。這里只強(qiáng)調(diào)電流環(huán)上的電流元在遠(yuǎn)處乃至無窮遠(yuǎn)處的軸線上激發(fā)磁場，完全忽略了電流環(huán)的獨(dú)立性。即忽略了每個(gè)電流環(huán)都能獨(dú)立在與軸線正交處激發(fā)磁場。該例題導(dǎo)出無限長螺線管內(nèi)部軸線磁場收斂于 ? B=μ0nI，半無限長螺線管內(nèi)部軸線端點(diǎn)磁場收斂于B=μ0nI/2（這兩個(gè)結(jié)論的量綱是錯(cuò)的）表示的是什么？讓人捉摸不透。

第三個(gè)是說：電流環(huán)具有獨(dú)立性，而且只能在內(nèi)部空間激發(fā)磁場和磁通量。請(qǐng)看《電磁學(xué)》P156頁“（3.2）式只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路。如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，那么當(dāng)磁通量變化時(shí)，每匝中都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由于匝與匝之間是互相串聯(lián)的，整個(gè)線圈的總電動(dòng)勢就等于各匝所產(chǎn)生的電動(dòng)勢之和。如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為φ，則 Ψ=Nφ?！边@里沒有說每匝導(dǎo)線在外部空間激發(fā)磁場和磁通量。

二、類比推理劃清兩種磁場并發(fā)現(xiàn)了閉合回路激發(fā)磁場定律

磁生電、電生磁都有各自的客觀規(guī)律。磁通變化在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中激發(fā)電流（生成電流）。輸電線路中的電流是由發(fā)電機(jī)輸出的電流。激發(fā)電流離開轉(zhuǎn)子就是輸出電流。輸出電流就不是磁通變化在輸電線路中新激發(fā)的電流。同理，電流環(huán)也存在激發(fā)磁場和環(huán)流磁場這樣兩種緊密相連卻又意義不同的磁場。在電流環(huán)的內(nèi)部空間即從等效S極到等效N極是激發(fā)磁場。在電流環(huán)的外部空間由等效N極到等效S極的磁場是環(huán)流磁場。環(huán)流磁場會(huì)彌散在近旁的整個(gè)空間。等效N極就是噴發(fā)環(huán)流磁場的源泉，等效S極就是吸收環(huán)流磁場的黑洞。電流不止，源泉不竭，黑洞吸納不停。激發(fā)磁場流出等效N極就是環(huán)流磁場。環(huán)流磁場就不是電流環(huán)在外部場點(diǎn)新激發(fā)的磁場。載流螺線管內(nèi)部從S極到N極是激發(fā)磁場。外部從N極到S極是環(huán)流磁場，會(huì)彌散在整個(gè)外部空間。我們拿一個(gè)和這個(gè)螺線管內(nèi)半徑相同的軟鐵芯，把一端對(duì)準(zhǔn)N極，另一端對(duì)準(zhǔn)S極，就把螺線管外部環(huán)流磁場全部吸收進(jìn)磁路里，進(jìn)行環(huán)流。但是，軟鐵芯無法改變螺線管內(nèi)部的激發(fā)磁場及形態(tài)。我們只要搞清楚了什么是激發(fā)磁場、什么是環(huán)流磁場乃至二者的本質(zhì)區(qū)別，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：電流環(huán)只能在兩個(gè)端平面（即兩個(gè)等效磁極）所圍成的內(nèi)部空間激發(fā)磁場。又因?yàn)?，任何一種完全相同的N個(gè)閉合回路按照右手定則串聯(lián)在一起都是電磁鐵。所以，我們是否可以推斷：“電流環(huán)等任意一個(gè)閉合回路中的電流都只能在閉合回路與兩個(gè)端面所圍成的內(nèi)部空間激發(fā)磁場，并服從右手定則?！边@很可能就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律。我猜想人們可能無法給出嚴(yán)格證明，但是任何電磁實(shí)驗(yàn)都不可能存在反例。這個(gè)定律可以稱為“閉合回路激發(fā)磁場定律”。有了這個(gè)定律，上面三個(gè)說法孰是孰非？就會(huì)一目了然。

例如第一個(gè)說法：電流環(huán)在內(nèi)部軸線處即圓心處激發(fā)磁場是對(duì)的。但是說電流環(huán)也在外部軸線處激發(fā)磁場，這就是畫蛇添足了。

例如第二個(gè)說法：電流環(huán)上的電流元能夠在遠(yuǎn)處乃至在無窮遠(yuǎn)處激發(fā)磁場，這是完全錯(cuò)誤的。特別是無限長螺線管內(nèi)部軸線磁場表達(dá)式B=（μ0nI/2）（cosβ2-cosβ1），內(nèi)點(diǎn)磁場極限B=μ0nI;半無限長螺線管軸線端點(diǎn)磁場極限B=μ0nI/2，這三個(gè)結(jié)論量綱不對(duì)，讓人無法琢磨?！峨姶艑W(xué)》教材為了解釋這個(gè)矛盾又編造了一個(gè)理論根據(jù)“螺線管存在漏磁通”?？梢哉f：《電磁學(xué)》教材為了掩蓋一個(gè)謊言，又編造了一個(gè)更大的謊言！甚至連量綱的對(duì)錯(cuò)都不顧啦！

只有第三個(gè)說法正確，因?yàn)樗欠ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律。列寧說過，真理只要向前一步，哪怕是一小步，就會(huì)成為謬誤！ 法拉第電磁感應(yīng)定律，只講兩個(gè)端平面以內(nèi) 的線圈所激發(fā)的磁通量。因?yàn)橥饷鏇]有線圈，所以就不考慮兩個(gè)端平面以外的事情?！峨姶艑W(xué)》教材卻亂發(fā)揮，專門研究線圈以外的磁場和磁通量，把人們引入歧途，那就真的變成了謬誤！其實(shí)，線圈以外的磁場是環(huán)流磁場，是由正負(fù)兩個(gè)磁極決定的。

如果一個(gè)載流線圈由N周導(dǎo)線繞制而成，我們既可以把它分解成互相串聯(lián)的N個(gè)電流為I的閉合回路，也可以把它合成一個(gè)電流為NI的閉合回路。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈中的電動(dòng)勢滿足代數(shù)疊加、全磁通滿足代數(shù)疊加，必然導(dǎo)出線圈內(nèi)部軸線上的磁場也滿足代數(shù)疊加。線圈內(nèi)部軸線磁場滿足代數(shù)疊加的實(shí)質(zhì)和真諦就是線圈中的電流滿足代數(shù)疊加。因?yàn)殡娏魇菢?biāo)量不是矢量。標(biāo)量滿足代數(shù)疊加這是基本常識(shí)，沒有必要故弄玄虛 。如果從分解的角度看，線圈內(nèi)部空間的磁場是激發(fā)磁場和代數(shù)疊加磁場;如果從合成的角度看，線圈內(nèi)部磁場就是激發(fā)磁場，無需進(jìn)行分割疊加。如果就線圈內(nèi)部空間的某一個(gè)場點(diǎn)而言，它既是激發(fā)磁場的生成點(diǎn)，也是環(huán)流磁場的起始點(diǎn)，還是環(huán)流磁場的回歸點(diǎn)?？梢哉f是三點(diǎn)歸一。如果從整體而言，線圈內(nèi)部的磁場就是激發(fā)磁場。而且，線圈內(nèi)部軸線磁場是勻強(qiáng)磁場。線圈內(nèi)部與軸線平行的每一條線段上都是勻強(qiáng)磁場。線圈內(nèi)部每一個(gè)場點(diǎn)的磁場強(qiáng)度都與電流NI相關(guān)，都是該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流為I時(shí)的N倍。按照右手定則，線圈的右端面是等效N極，也是激發(fā)磁場轉(zhuǎn)化為環(huán)流磁場的起始界面;左端面是等效S極，也是環(huán)流磁場的回歸界面。

三、電磁實(shí)驗(yàn)方案的構(gòu)想

我們期待著中國的人造太陽實(shí)驗(yàn)結(jié)果。中國的人造太陽即“全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”。2017年度首次達(dá)到等離子體中心電子溫度達(dá)到五千萬度，首次實(shí)現(xiàn) 101.2秒穩(wěn)態(tài)放電。2018年11月12日發(fā)布消息我國大科學(xué)裝置“人造太陽”日前取得重大突破，實(shí)現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到一億度?？梢哉f：從五千萬度到一億度這是一個(gè) 偉大的飛躍。首先它驗(yàn)證了核聚變的可能性和可行性。它的意義是非常重大的。但是這方面理論我不懂。不過它是磁約束裝置，場強(qiáng)和被約束的核聚變溫度是成正比的。2017年EAST創(chuàng)造了101.2秒高約束模等離子體運(yùn)行的穩(wěn)定時(shí)間世界紀(jì)錄。今年（2018年）又從五千萬度躍升到一億度高溫。怎么進(jìn)展得這么快？！這就是EAST的意外收獲！我們知道EAST是一個(gè)磁約束裝置，要想約束一億度的高溫，也只能成比例地增加磁場強(qiáng)度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺線管和螺繞環(huán)都滿足代數(shù)疊加。但線圈滿足代數(shù)疊加的實(shí)質(zhì)是電流滿足代數(shù)疊加。因?yàn)殡娏魇菢?biāo)量，不是矢量，故滿足代數(shù)疊加。假設(shè)一周導(dǎo)線的電流為I，把相同的N周導(dǎo)線串聯(lián)到一起就是電流為NI的螺線管。這個(gè)螺線管的兩個(gè)端平面所夾的軸線為勻強(qiáng)磁場。兩個(gè)端平面所夾的螺線管內(nèi)部空間為激發(fā)磁場，兩個(gè)端平面以外的磁場為環(huán)流磁場。把這個(gè)螺線管兩頭對(duì)接到一起就是螺繞環(huán)。螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場。螺繞環(huán)的軸環(huán)線是勻強(qiáng)磁場，強(qiáng)度為μ0NI/R。如果要想把中心等離子體電子溫度提升到兩億度時(shí)，我們就把原來的線圈個(gè)數(shù)N擴(kuò)大到2N基本滿足要求。EAST是一個(gè)磁約束裝置，也是一個(gè)密閉裝置?？梢宰C明超導(dǎo)螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場，也不存在漏磁通。中國的人造太陽獲得重大突破證明了什么？我想同時(shí)也證明了：1、螺線管、螺繞環(huán)滿足代數(shù)疊加;2、螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場;3、由2的成立，可以證明螺線管內(nèi)部為激發(fā)磁場，外部為環(huán)流磁場，兩頭對(duì)接以后 ，外部的環(huán)流磁場就消失了。

四、結(jié)語

綜上所述，“閉合回路激發(fā)磁場定律”，必須要經(jīng)過電磁實(shí)驗(yàn)證。我們知道中國的人造太陽就是一個(gè)電磁實(shí)驗(yàn)。EAST是一個(gè)磁約束裝置，要想約束一億度的高溫，也只能成比例地增加磁場強(qiáng)度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺線管和螺繞環(huán)都滿足代數(shù)疊加，但線圈滿足代數(shù)疊加的實(shí)質(zhì)是電流滿足代數(shù)疊加。因?yàn)殡娏魇菢?biāo)量，不是矢量，故滿足代數(shù)疊加。假設(shè)一周導(dǎo)線的電流為I，把相同的N周導(dǎo)線串聯(lián)到一起就是電流為NI的螺線管。這個(gè)螺線管的兩個(gè)端平面所夾的軸線為勻強(qiáng)磁場。兩個(gè)端平面所夾的螺線管內(nèi)部空間為激發(fā)磁場，兩個(gè)端平面以外的磁場為環(huán)流磁場。這個(gè)螺線管的軸線磁場為B=μ0NI/2R，把這個(gè)螺線管的兩頭對(duì)接到一起就是螺繞環(huán)。螺繞環(huán)外部沒有環(huán)流磁場。螺繞環(huán)的軸環(huán)線是勻強(qiáng)磁場，強(qiáng)度為μ0NI/R。如果磁場強(qiáng)度還不夠，可以增加線圈個(gè)數(shù)N即可。

參考文獻(xiàn)

[1]電磁學(xué)/趙凱華，陳熙謀，——北京：高等教育出版社2003.4（2005重?。?〔1〕P97圖2—21求圓線圈軸線上的磁場;〔2〕P101圖2—27環(huán)向電流圓筒軸線上的磁場;〔3〕P156（3.2）式。

[2]《科學(xué)與生活》2021年第17期《無限長螺線管內(nèi)部軸線磁場表達(dá)式不能成立》。