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磁场间相互作用遵循的是运动力学规律The magnetic field interaction followedthe movement laws of mechanics徐 洪湖北省襄阳市襄城区人民政府文化体育新闻出版局 邮政编码:441021 电话：摘要：磁场是物质的运动产生的物理现象，遵循基础物理学运动力学规律，磁场运动是磁场内部的运动，磁场运动符合动量守恒定律，磁场与磁场相互作用是磁场弹性形变过程The magnetic field is the motion of matter produces a physical phenomenon Follow the basic physics motion laws of mechanics，The magnetic field is the magnetic field inside the motor，The magnetic field accord with the law of conservation of momentum，Magnetic field interacts with the magnetic field is the magnetic field elastic deformation process关键词：磁场 物质 运动 动量守恒 弹性形变Magnetic field Material; Movement Conservation of momentum; Elastic deformation1引言磁是人类最早发现的自然界较为神秘的物理现象之一，由于磁场的不可视性，早期人类对其的认识一直比较模糊，使用磁和场的概念进行描述，用较虚的词定义, 就是因为不清楚它的物理性质，目的也是区别于常见的自然界其他物质。发现之初，基础物理学力学理论不能较好地解释其物理原理，人类根据磁特殊的运动特点，又创造出磁电理论具体指导社会实践。现代科学发现，磁场是由磁场物质运动所产生的物理现象，证明磁场也是由物质所构成。这就存在一个问题，如果磁场由物质组成，就应该遵循基础物理学的力学原理，不然的话，磁现象就成了基础物理学力学存在理论缺陷的证据，起码证明精典力学不能科学、完整地解释自然界的一切物质的物理现象。过去，由于认知和实验条件限制，理论出现这样的问题可以理解和接受，但在科学发现新的证据条件下，原有理论有没有重新认识的可能？2磁场是电子流运动产生的物理现象相关实验证明，电磁场中存在的物质是沿磁场轨道高速运动的电子流，永磁磁场物质没有统一定论，但普遍认为是与电子等效的物质，具有与电磁场中电子物质的性能、特点几乎相同的物理性质(实际上就是电子，具体另论)。我们把电子的物理运动特点，放到具体的现实条件中，用现有基础物理学力学知识去分析，研究，会得出这样结论。3电子是典型的动量守恒运动物质电子属于亚原子粒子中的轻子类，是宇宙最基本的粒子之一。电子体积超小，质量只有9.10 10-31 kg，结构比较特殊，在自然界运动中所遇到阻力几乎为零，遇到高密物质会发生折射，电子的最高运动速度与光速相同。在理论和实践中, 运动电子与其他物质间发生的阻力都是忽略不计的，是自然界最典型、最符合动量守恒定律的运动物质之一。电磁场是电子流围绕通电线圈高速沿特定轨道运转形成的物理现象，整个系统不受外力作用，理论上它的轨道运动必定遵循动量守恒定律。永磁磁场的磁场物质和电子磁场电子是等效物质，特点相同，因此其磁场运动也应遵循动量守恒定律，在初次获得动能后，系统由于不受外力影响，整个系统的总动量保持不变会按动量守恒原则不停运动。实践证明，这个理论假设是成立的，也是正确的，永磁体磁场一经充磁，永磁磁场就会长时间存在，很难自然消失。像地球磁场，历经数百上千年而不消退，人造的各类磁体，都证明这一结论。 图1永磁体充磁示意图 图2磁场动量守恒的运动4磁力是磁场内部电子运动产生的物理现象从磁体内部特征看，电子（磁场物质）运动是动量守恒的运动，不会受到外界物质任何力的影响，相对磁场物质以外的物质就是磁体的内部运动，运动所形成的能量在磁电学上被称之为磁能,呈现出的力被称之为磁力。这种能量只在磁场与磁场相互作用时显现，最显著特点一是同极相对相互排斥，异极相对相互吸引，这个现象被磁电理论明确为磁场的特性，就是磁场本身具有的不同于一般物质的物理特征。现在换个角度，用运动力学进行分析。41电子数量、运动速度与能量的关系一般电子运动中遇到其他物质，会从物质分子间的空隙中穿过，遇到物质的原子核质，会发生折射而改变方向。由于最小物质分子质量与电子质量存在数千倍的差距，所以折射过程，任何物质自身是感觉不到这部分电子撞击的力的存在。运动电子在密度较大，运动方向一致，运动速度较快的条件下，情况就有所不同。电子直径数量级约为2.810（-13）cm，1cm的直线距离，有可能排列千亿万个电子，以1平方cm的磁体计算:电子总动量（电子质量）9.10 10-31 kg（电子估算数量）1cm2810（39）（电子标准速度）310（5）km/秒9.751013 (kgkm/秒)。（注：电子质量和直径资料均来自于互联网，仅供参考）现实中，不管是电子密度和电子速度都不能达到这个量级，但如果有计算数据1%的电子数同向运动，其任何运动速度产生的能量都足以让人震惊，如果有较高的运动速度，电子量就是不到1%或者再少，其产生的能量也同样让人吃惊。42磁场能量来源永磁体是磁场形成的基础，形成有两个必备条件，一是构成磁体物质的原子核局部收缩，外层能聚集较多电子，二是磁体内部物质结构相对松散，大量电子可以自由运动。用外加的大量高速电子流沿磁体一极进入磁体，加速磁体内部原子核外层电子群（磁场物质），调整内部电子群运动方向，外部能量消失后，磁体内部形成统一方向、沿轨道运动的电子流，就形成磁场。电磁场形成较好理解，直接与电能有关。有以上计算结果作参考，磁场间运动发生较大的力的作用很容易理解。43磁场能量的储存因上述3的原因，磁场运动不受外力影响，磁体内部电子流在同一方向，同一速度，同一运行轨道的条件下形成的动量，在动量守恒原则下重复运动，将能量实际储存在磁体的磁场中。磁场能量形成后没外能量不会自然增加，在磁体及磁场条件变动中会发生变化。一是磁体松散结构，发生热和撞击，结构易发生变化，磁场易受损。二是外加磁场，改能变原磁场性能。三是自然衰退，一般要经历相当长的时间，生产生活中常忽略不计。44磁体的完整形状磁体是有形磁体和无形磁场的结合体, 磁场是磁体的延伸。磁场不能单独存在，要有磁体做为条件。一个磁体的体积是包括磁场在内的体积。一个磁体形状是磁场运动轨道的最大边沿形状。电子流围绕磁体运动，是电子在两个力的合力作用下形成的物理现象（一是电子初始或加速获得的直线运动动力，一是电子向磁体物质方向运动克服离心力的力，具体在另一课题讨论），形成磁体的条件不存在，电子就是有能量、有速度，也不会围绕不具备条件的磁体有规律运动，磁场自然不存在。永磁体如果遇到撞击和高温，磁体形成条件受到破坏，磁场自然也就消退或消失。通电线圈通电磁体形成，磁场就形成，断电磁体不能形成，磁场也就消失。 图3完整永磁体是包含磁场的磁体 图4完整电磁体是包含磁场的磁体45电子运动方向决定磁场力的性质与特征两磁体磁场同极磁场相对，两磁场运动电子方向相反，运动电子遇到另一磁场运动相反方向的力的阻挡，不能通过这一磁体分子空隙，而直接作用于这个内部反向运动电子所密封的磁体，出现两磁场相互排斥的力的现象。由于磁场与磁体的整体关系，磁场力的现象直接反映到磁体上，就是我们看到的同性相斥；两磁场异极相互靠近，其磁场电子运动方向一致，运动电子从本磁体出发，经过另一个磁体又回到本磁体，是两磁体磁场的合并,是相互结合的过程，因此物理特征呈相吸状态。电子运动中遵循动量守恒定律，不与外界物质相互作用，不管是电子间逆向运动和电子同向合并运动，只是能量相互间交换，总量不变，是能量守恒的作用过程。用外力分开两磁体，各磁场物质又沿各自轨道运行，恢复原状。其中图6、7可理解为两个不同磁体，也可以理解为图5磁体的横切分解体，不管磁体怎么分，各个体磁场特征总是存在，方向不变。 研究图5 标准磁体示意图 图6磁场异极相对力的示意图 图7磁场同极相对力的示意图46电子数量和运动速度决定磁场力的大小电子流中电子数量多，速度大，运动产生的动量就大，相反，能量就小。电子数量的多少与磁体相关联。一般情况下，同一磁体材料，体积越大，质量越重，电子流的数量就越多。同量电子流初始或加速所获得的能量越大，运动速度越快，磁场力越大。不过这也是有限制的，磁场初始或加速度过大，电子会摆脱向磁体运动的力，直接飞离磁体，磁场不能正常形成。47外力与磁场相互作用的形式和方法外力作用于磁场和磁场作用于外力，都是通过建立磁体形成磁场，用磁体去作用电子，或使电子直接运动，或用电子作用于另一磁场。永磁体充磁是一个强磁场高速电子流对另一磁体进行电子（磁场物质）流加速过程，就是能量输入；电磁波则是用形成磁体对电子进行加速后立刻使磁体消失方法，使加速后的电子群获得能量但不能做轨道运动而沿直线方向飞行；磁性起重设备和电动机等，是用外力直接作用于有形磁体，利用磁体与磁场的整体关系，由磁体作用于磁场，磁场作用于另一磁场，进而作用于另一磁体，最终由有形磁体作用于其他物体。5弹性形变的一般规律弹力是自然界物质常见的物理现象。具有弹力的物体受力会发生弹性形变，受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，物体又恢复原状。51磁场外部运动显现的是弹性形变现象 磁体的磁场有相对特殊的运动机制，有独特物理特性，表现在磁场有固定形状和内在能量。两磁场相互靠近，内部发生的是运动电子（或磁场物质）同向合并相吸引和逆向受力排斥的物理现象，外部则呈现的是磁场弹性形变的形变和形变还原过程。相互接近的两磁体磁场互相作用，使两磁场电子（或磁场物质）流运行轨道发生改变，为还原轨道，磁场电子（或磁场物质）之间产生力的现象，发挥了与弹力完全相同的作用，外力消失，轨道还原，弹性形变过程结束。外力表面作用在有形磁体上，因磁体与磁场是一个整体，实际也就作用于磁场，导致磁场与磁场相互作用，最终发生磁场弹性形变，形变的是磁场，感受到力的是有形磁体。 图8正常的同极相对 图9形变的同极相对 图10正常的异极相对 图11形变的异极相对磁场示意图 磁场示意图 磁场示意图 磁场示意图 52磁场弹性形变的典型应用两磁体靠近是人类使用磁场弹力的一个创举，利用了磁体无形的磁场物质部分可以相互穿行的特点，使磁体磁场部分弹性形变中的弹力在应用中变得更加灵活。将一块磁体放置在圆形转子上，将另一块放置在圆形定子上，相互接近至最小间隙，磁场（弹性）势能处于最大值（磁场弹性势能大小与距离成反比）。当转子至两磁体开始相互作用位置，磁场开始形变，同时磁场弹力力始还原，分解出切线方向的力带动磁体向定子位置移动，磁体带动转子做圆周运动，这就是磁场在电动机内做功的原理。当转子磁体转动至定子磁体相同位置，磁场复位力分解不出切线方向的力，两磁体在对称位子处于平衡状态。过了平衡点，磁场复位力分解出来的力的方向与原来力的方向相反，带动转子做回摆运动，成转子做圆周运动的阻力。电动机此时采用断电或改变电流方向的办法，靠惯性力或改变磁场方向越过回摆区，以此往复，形成圆周运动。指南针是另一应用精典。 图12指南针示意图 图13指南针受力示意图6磁场做功过程磁场力的做功，不同于蒸气机，汽油机，发电机等动力机的做功原理，利用的是磁体磁场内部储存的具有动量守恒原则的高速运动密度较大的电子流（或高速运动的磁场物质流）的能量，是一个有作用范围限制的反作用力。这个力是通过外力对磁体作用，磁体带动磁场与另一磁场作用后显现出来的。正常情况下，只要两磁体磁场间相互存在形变，两磁体磁场弹力就会相互作用于对方，进行轨道形状还原。实现两磁场形变，要就外力把相互独立的磁体相互靠近。在电动机具体运用实践中，用轴和轴座把电动机的转子磁体磁场和定子磁体磁场固定在相互靠近至最小间隙的位置，使两磁体磁场一直处于弹性形变最大状态，以在各运动点获得最大的弹性势能。在这个过程中，除人力合并磁体磁场移动、运输等所做功外，转子轴转子轴和定子轴座在形变过程中一直在对两磁体磁场进行着力的作用（最具磁场弹性形变特点的做功形式）。相对人力、定子轴、转子轴座等做功，磁体磁场所做的是负功。在利用磁力提升重物过程，磁体磁场做功总量大于人力因素所加能量之和，就会形成动力，磁体磁场储存的能量越大，超出其他因素做功能量总和越多，动力就越大，提升重物量就越重。要说明的是，磁体在对铁质工件做功，是磁场先把铁质工件内部电子磁化，使铁质工件具有同向磁场特征，再发生弹性形变，实现两磁场合并，产生相互结合的力，将铁质工件提升。在电动机类磁场圆周运动中，磁体做功分解出切线方向的力只要大于轴承滚动摩擦阻力，就会成为动力。不同角度分解出的力越大，动力就越大；磁场储存的能量越大，同条件分解出的力也越大，动力就越大。电磁波运动过程就相对简单，电磁体能量多大电磁波功率就多大，全部转化为电子的动能。指南针利用也是弹性形变原理，只是运用的位置有所差异。61磁场做功不需外界能量补充要理解的是，磁体磁场本身储存的能量是以弹力形式释放，做负功，不是平时所理解的作用力做功。在磁场自身运动能量守恒的条件下，磁体磁场做功不需要补充能量。这里存在个问题，人类利用磁原理设计的电动机一直消耗的是电能，说两磁体磁场间相互做功不消耗能量不是完全没道理？做一个小实验可以科学解释并引出一个更深的问题。一组相互串联的充电线圈，通电电能消耗，各线圈产生磁场，断电磁场消失，说明磁能与电能有关，正常理解为电能转化为磁能。拿出其中一个线圈分析：磁场不与外界物质发生相互作用，不会自然消失。根据能量守恒定律，电能如果转化为磁能，电能消耗了，磁能应该在，现在电能不在磁能也不在了，能量不守恒？好在我们知道，线圈中存在电阻，这个电路中电流通过线圈是电阻消耗了电能，完全转换成热能。这又引出疑问：一个通电线圈，通电出现了电能、磁能和热能三个能量，现在电能与热能是能量守恒关系，磁能从哪来，又到哪去了呢？简单说，电磁场产生确实与电能有关系，但电磁场是通电线圈通电产生的附属能量，就是常说的电感现象，线圈通电只是产生了磁场形成