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法拉第吊诡、单极感应的解释
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法拉第吊诡、单极感应的解释 周家军（Zhou Jia Jun） 家庭地址: : 广西陆川县良田镇冯杏村 22 队, , 邮编537717. 摘要：法拉第吊诡一直以来，都是个未解之谜，人们找不到统一的解释。现在，通过一个新发现的物理现象，就可以解释法拉第吊诡实验。这个新发现的物理现象就是：磁场在通电导体中也会产生电磁力，发生偏转，电磁力同样遵守牛顿第三定律。在解释法拉第吊诡实验之后，引伸出一个遐想实验，令人深思。 关键词：法拉第吊诡；单极感应；磁铁偏转；法拉第吊诡实验分析；一个遐想实验。 1、据维基百科上记载的法拉第吊诡条文： 1.1、假设磁铁固定不动，不能旋转，只让圆盘旋转，则检流计会测量到直流。这实验设备的功能类似发电机，因此称为“法拉第发电机”、又称为法拉第圆盘、或单极发电机。 1.2、假设圆盘固定不动，不能旋转，只让磁铁旋转，则检流计不会测量到直流。 1.3、假设让圆盘与磁铁以同角速度旋转，则检流计会测量到直流，如同第一步骤得到的结果。[1] 2、大约在 2000 年或 2001 年的夏天，我在家里做了一个实验。用细绳悬挂一个磁铁，在磁铁的下方放一根导体，如图 1 所示：  使导体固定不动，当我给导体通电时，发现磁铁产生了偏转，说明磁铁在通电导体中发生了偏转。这是一个谁也没有注意到的物理现象，我们一直以为只有通电 导体才能在磁铁中发生偏转。 我之所以做这个实验，是因为我在读书时，看见课本上说电磁力不遵守牛顿第三定律，我就想做实验来验证一下，我的本意是想做一个依靠电磁力驱动的飞行器。 实验过程如下： a、固定磁铁不动，导体在磁铁的上方悬挂。导体通电后，导体会在电磁力的作用下发生偏转。如课本上所说的，用左手定则可判断导体的偏转方向。 b、固定磁铁、导体不动，把磁铁、导体绑定后悬挂起来。导体通电后，发现导体没有偏转。如果电磁力不遵守牛顿第三定律，那么导体是要发生偏转的，但事实上却没有。我当时就很不理解。 c、固定导体不动，磁铁在导体的上方悬挂。导体通电后，观察到磁铁发生了偏转，用右手定则可判断磁铁的偏转方向：伸出右手，让磁力线穿过手心，四指指向导体电流方向，则母指指向是磁场的偏转方向。磁场偏转就带动磁铁偏转，说明电磁力同样遵守牛顿第三定律，如此，对实验 b 就解释通了。 3、现在，就可以依次对法拉第吊诡实验进行解释了。 当我们知道，磁场在通电导体里也会产生电磁力，发生偏转的时候，对于法拉第吊诡实验，就可以很容易解释了。 3.1、磁铁固定不动，不能旋转，只让圆盘旋转，产生直流。这个现象是存在的，大家都没有疑问。它的逆过程是：磁铁固定不动，向圆盘通电，则圆盘产生旋转，这是单极电动机。需要注意的是：圆盘外的导线和磁铁都是固定不动的，只是圆盘在旋转，圆盘切割磁力线而已。 3.2、圆盘固定不动，不能旋转，只让磁铁旋转，则检流计测量不到直流。 根据伽利略相对性原理，圆盘不动，磁铁旋转，相当于磁铁不动，圆盘旋转，就如步骤 1 的测量一样。圆盘固定不动，磁铁旋转，肯定会产生感应电流。它的逆过程就是圆盘固定不动，对圆盘通入电流，磁铁就会发生旋转。就如同我的实验：导体不动，导体通入电流，磁铁运动，是一致的。 那为什么检流计测量不到直流，难道是测量错误？ 不，不是的，测量是准确的。 如图 2 所示：  磁铁的旋转方向如图 2 所示，那么在圆盘上产生的感应电流方向就是从中心指向外表面，使中心的极性为“-”，外表面的极性为“+”， 导线 ab 产生的感应电流方向是从 b 指向 a，使 b 端的极性为“-”， a 端的极性为“+”。 圆盘上产生的感应电动势方向和导线 ab 产生的感应电动势方向是相反的，所以感应电流互相抵消了，电流表检测不到直流。虽然有人说导线 ab 不在磁场的范围内，但这是不可能的。因为磁力线是闭合的，不管导线 ab 怎样绕线，导线 ab 总要切割磁力线。如图3、图 4 所示： 导线 ab 绕线图图 3：  导线 ab 绕线图图 4：  磁力线从 N 极出，穿过圆盘，就要从四周回到 S 极。因此，不管导线 ab 怎么绕线，导线 ab 总要穿过磁力线。在磁体转动过程中，导线 ab 就要切割磁力线，产生感应电动势，这是避免不了的。磁场运动，导线静止，产生的感应电动势方向用左手判断：伸出左手，让磁力线穿过手心，母指指向磁场运动方向，则四指指向是感应电动势方向。 可做 1 个判决性实验验证这个推论。 正视图如图 5 所示（此实验未做，为设想实验）：  俯视图如图 6 所下：  外铜环的半径很大，在磁场作用范围之外，外铜环是固定的。导线 ab 和圆盘、外铜环用碳刷连接，另外，导线 ab 和磁铁可连接固定也可分开不联系。 实验分为 2 步进行。 第 1 步，圆盘、导线 ab 静止不动，磁铁旋转。这就是法拉第吊诡实验 2。相当于磁铁固定不动，圆盘、导线 ab 反方向旋转，那么圆盘上产生的感应电动势方向和导线 ab 产生的感应电动势方向是相反的，所以电流表上没有感应电流流过。因为没有感应电流产生，所以对它进行逆过程：圆盘、导线 ab 静止不动，对圆盘、导线ab 通入电流，可以预见，磁铁将不会旋转。 第 2 步，圆盘静止不动，导线 ab、磁铁同角速度旋转。导线 ab 和磁铁连接固定，随磁铁一起旋转。那么导线 ab 不切割磁力线，导线 ab 上不会产生感应电动势。圆盘切割磁力线，圆盘上有感应电动势产生，感应电流从圆盘外表面经导线 ab、外铜环、电流表、圆盘中心形成闭合回路。可以预见，电流表上将有电流流过，表明有感应电流产生。和第 1 步相比，说明导线 ab 的确对电流表产生影响。如果做了这个实验，那么还有谁会说导线 ab 不产生影响呢。 它的逆过程就是：圆盘静止不动，导线 ab 和磁铁连接固定，对导线 ab 接入电流，那么导线 ab、磁铁将同角速度旋转，这是旋转是由磁铁相对圆盘产生的。 3.3、圆盘与磁铁以同角速度旋转，则检流计会测量到直流。 假如这个现象是真实的，那么它的逆过程就是：对圆盘通入电流，那么圆盘与磁铁就会以相同的角速度旋转。 我在网上看到过 1 个视频，是单极电动机的视频（不记得出处了，向作者致敬）。原理图如图 7 所示：  导线和磁铁滑动接触。当导线接通磁铁时，磁铁就会连着螺丝钉一起旋转。 我做过这个实验，实验是真实的。螺丝钉的确和磁铁一起以相同的角速度在旋转。 咋看一下，并不合理，螺丝钉就像是 1 个圆盘，螺丝钉和磁铁一起以相同的角速度在旋转，这怎么可能会发生呢，这不是推翻以上所做的推论了吗？ 别急，还有另外 1 个实验。如图 8 所示：  用细绳悬挂电池， 导线和磁铁连接固定，电池、导线、螺丝钉、磁铁全部都悬挂起来，形成一个整体系统。 我没有做这个实验，不过，可以预见的是，当导线和磁铁接通流过电流时，磁铁和螺丝钉将不会旋转，整套系统也不会旋转。这和我以前做的磁铁和导线固定的实验是类似的，如果这个整套系统能够了产生旋转，那么无源动力电磁飞行器就被我制造出来了。 那么图 7 这个实验又该怎么解释呢？ 是的，大家看到的只是表面现象，大家被表面现象欺骗了，真实情况并不是大家所认为那样的。 在单极电动机的视频里，磁铁和螺丝钉的确是在旋转，但是，这个旋转并不是磁铁和螺丝钉产生的，而是磁铁和导线产生的。它的真实情况是：导线固定不动， 导线通入电流，磁铁相对导线旋转。它的逆过程就是：导线固定不动，磁铁旋转，则导线上产生感应电流。这就是法拉第吊诡实验 3 的现象。不错，法拉第吊诡实验 3 的真实情况就是：电流不是圆盘产生的，而是由导线产生的，虽然大家都认为不是，但事实的确如此。 可通过做 1 个判决性实验来验证。如图 9 正视图所 示（此实验未做，为设想实验）：  图 10 俯视图所示：  磁铁和圆盘固定，导线 ab 的 b 端和外铜环用碳刷连接，导线 ab 的 a 端和铜盘可用碳刷连接也可固定连接。外铜环是固定的。实验时分 2 步进行： 第 1 步，磁铁和圆盘固定，导线 ab 用碳刷分别和圆盘、外铜环连接。 磁铁和圆盘以相同角速度旋转，导线 ab 静止不动。那么导线 ab 将切割磁力线，产生感应电动势，使电流表上有感应电流流过，使电流表的指针偏转。这是法拉第吊诡实验 3 的做法。它的逆过程是，对导线 ab 通电，那么磁铁和圆盘产生同步旋转，这是磁铁在通电导体中发生偏转的体现。 第 2 步，磁铁和圆盘固定，导线 ab 的 a 端和圆盘固定，b 端用碳刷和外铜环连接。 磁铁、铜盘、导线 ab 以相同角速度旋转，导线 ab随磁铁一起旋转，那么导线 ab 没有切割磁力线，不产生感应电动势，电流表上没有感应电流流过，电流表的指针没有偏转。相比第 1 步，这就足以说明电流表上的电流是由导线 ab 产生的。它的逆过程是，对导线 ab 通电，那么磁铁、铜盘、导线 ab 不会产生旋转。 可见，导线 ab 是否跟随磁铁一起旋转，是决定电流表上是否有感应电流产生的根本原因。 4、综上所述，磁场随磁体的运动而运动，磁体随磁场的运动而运动。法拉第吊诡的根本原因在于，人们不知道磁体在通电导体中会发生偏转。现在真相已经大白，法拉第吊诡的未解之谜也终于解开，接下来就是需要人们通过实验来验证这些推论了。 5.所谓，一波不平一波又起。法拉第吊诡虽然解决了，但随之而来也有一个问题。这是一个遐想实验，如图 11 所示：  俯视图如图 12 所示：  在密封圆柱体上有一圈铜环，导线 ab 的 a 端和圆柱体的铜环用碳刷连接，b 端和外铜环用碳刷连接。导线ab 在磁铁的磁场作用范围内，外铜环在磁铁的磁场作用范围外。在密封圆柱体内，有一块电流表，电流表的一端连接圆柱体上的铜环，另一端从圆柱体的中心穿出，连接到外铜环上。磁铁和圆柱体固定连接，在圆柱体内有一个观察者。 当磁铁和圆柱体同角速度匀速转动时，对于圆柱体外部的观察者来说，导线 ab 和磁铁有相对运动，导线ab 切割磁力线，产生感应电流，电流经导线 ab、电流表、外铜环形成闭合回路，所以电流表的指针会发生偏转。但是，对于圆柱体内的观察者来说，他感受不到任何运动，但是电流表却发生偏转，这是令人难以解释的。即使打开天窗，圆柱体内的观察者可以看到日月星辰在围绕圆柱体的中心在旋转，他也不会明白这是怎么回事，他也只能根据日月星辰的运动方向、运动快慢来总结电流表的指示规律。 这还是有规律总结的。如果圆柱体固定不动，磁铁和导线 ab 一起以相同角速度匀速旋转。对于圆柱体外的观察者来说，因为圆柱体内的电流表两边的导线切割了磁力线，产生感应电流，感应电流经圆柱体外导线、外铜环、导线 ab、电流表形成闭合回路，使电流表指针发生偏转。但是，对于圆柱体内的观察者来说，他什么也没有动，电流表怎么会有电流呢？即使打开天窗，日月星辰也都没有运动，这完全是一片死寂的宇宙，他怎么也想不通这是怎么回事。 如果圆柱体内的观察者有幸爬出圆柱体，他看到导线 ab 在旋转、在切割磁力线，他才会明白原来外边还有一个空间，才会明白这一切的根源。如果他脱离圆柱体之外，作为圆柱体外的观察者，他才发现，这种种的一切，原来是这么简单。作为密封圆柱体内的观察者，通过测量电流的方向，他就可以知道磁场和圆柱体的相对旋转方向；通过测量电流的大小，他就可以知道磁场和圆柱体的相对旋转速度。但是，他爬不出圆柱体，他只能在圆柱体内想，这是什么样的物理规律？难道圆柱体是宇宙的中心，还是外部真的存在一个绝对空间？想起中国古籍《尚书纬•考灵曜》里的记述： “地恒动不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行而不觉也。”又想起伽利略的大船描述。【2】如今，通过物理实验，即使在封闭的空间里，人们依然可以知道自身的运动状态，这说明了什么？这是令人深思的问题，你懂的。 参考资料： [1]、维基百科：法拉第吊诡。 [2]、张三慧 大学物理学（力学、电磁学 P182）第三版(清华大学出版社,北京,2001)。 本文的英文版已发表于《伽利略电动力学》期刊，2019年秋季，第30卷，第2期，英文名为《Faraday’s Paradox and Unipolar Induction》 英文版有修改，请联系期刊索取详细资料。 |
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