單憑馬克斯威爾方程式沒有辦法解釋為什麼磁鐵有磁性磁鐵看起來非常神秘。 它們的行為可以用Maxwell方程組來解釋。 然而,不小心的話你很容易讓自己相信麥克斯韋方程組證明磁鐵不可能發揮磁性的作用。 這就是陷阱——如果你不小心,你很容易讓自己相信磁鐵理論是錯的。然而,顯然,磁鐵確實能夠產生磁場,那麼這是怎麼回事?愛因斯坦如何拯救世界呢?電流的磁效應讓我們深入研究一下。如您所知,磁鐵通常是小塊金屬,可以吸附某些其他金屬。可將兒童藝術創作固定在冰箱上的”磁鐵”的工作原理,要解釋它可能有點複雜,但幸運的是,我們也可以用電流產生磁性,並且描述這種磁性的理論比較容易說明。我們將這種電流製成的磁鐵稱為電磁體,它們證明了愛因斯坦狹義相對論的奇異且完全非直觀的預測。電和磁是非常相關現象,你幾乎可以說它們是一體兩面,但是在外觀現象的展示上卻又非常不同。透過將兩個帶電物體相互靠近可以產生電力。根據電荷的不同,物體會被吸引或排斥。磁鐵則不同。 磁力只能在運動的電荷之間感受到。如果電荷是固定的,則不會發生任何磁力的作用。然而,如果一個電荷正在移動並產生磁場,第二個移動的電荷就會感受到它。但這是關鍵點是:對於磁性來說,兩種電荷都需要移動。當我們將兩根平行電流線彼此靠近時,可以最簡單地看到這種效果。如果我們讓電流流過底部,它就會在其周圍形成一個磁場。如果我們也以相同方向流過頂部電線的電流,就會感受到將電線拉在一起的力。相反,如果我們通以相反的方向在頂部導線中流動電流,則兩條導線會相互排斥。考慮單獨一個正電荷與電流的作用力現在,我不想用你在物理課上學到的方式(向量外積的右手定則)來描述磁性。雖然這些都是非常酷的東西,但是你可能在學使用右手定則的時候不小心就扭傷了你的手腕。這不是這支影片的重點。如果您從未學過物理,或者您已經忘記了所有內容,我會在下面的描述中添加一些其他視頻的鏈接,介紹電線中的磁性如何工作。請注意,我沒有製作這些影片。但你們中的一些人可能會歡迎回顧一下。另一方面,你不需要知道所有的數學之類的東西。您需要知道的是,必需移動電荷來產生磁力,如果運動方向相同,它們就會吸引。如果它們的方向相反,它們就會排斥。 現在,事實證明,如果我嘗試使用電線來解釋問題,它會變得超級複雜、非常快且高度數學化,所以讓我們使用一個簡化的範例來告訴您發生了什麼。最後,我將告訴大家在哪裡可以找到更詳細的解釋。好吧,我們不用兩條平行的電線,而是用一根承載電流的電線和一個沿著電流方向或逆電流方向移動的正電荷。如果電線沒有電流,但電荷在移動,則不存在磁力。 如果電線有電流,且電荷不移動,也不存在磁力。然而,如果有電流和移動電荷,就會有磁力,它的基本原理與電線相同——方向相同,則吸引,方向相反,則排斥。我剛才告訴你的一切都是對的,我在物理入門課上已經教過幾十次了。在不同的參考座標系觀察同一個現象然而,現在讓我們像愛因斯坦一樣思考。我的意思是,當然,我們可以說電荷在移動,但從電荷的角度來看,它沒有移動。 它是靜止的,而世界卻在移動。由於我們需要移動的電荷來感受磁力,這意味著電荷應該感受不到磁力——至少在它自己的參考系中。所以這完全沒有意義。在我們自己的坐標中,我們認為電荷應該感受到力,但電荷在其自身的坐標中認為不應該感受到力。 正如他們所說,這是一個悖論。相對論做了一些奇怪的事情,但是如果電荷移向或遠離電線,兩個觀察者應該達成一致。這就是你如何說服自己磁鐵理論是錯的。然而聰明人相信磁鐵理論。那麼它是如何保存的呢?好吧,要做到這一點,我們需要考慮線路中到底發生了什麼。電線中存在正電荷和負電荷。電線本身是電中性的,但在標準電學理論中,我們說正電荷是移動的,負電荷是靜止的。是的,這確實有一些問題,我會回來討論的。但我們還是使用傳統觀念吧。因此,外部觀察者會看到電線中的靜止負電荷和移動的正電荷,以及電線上方的移動電荷。為了便於說明,我們會說它們正在向右移動。電線中移動的正電荷建立了磁場,上方向右運動的正電荷受到這個磁場的作用,產生向下的磁力,因此向下運動。我們問頂部的正電荷在其靜止的參考系中看到什麼?負電荷正在向左移動,正電荷可能仍在向右移動,但與靜止的人相比,速度比電線慢。這就是相對論發揮作用並產生奇蹟的地方。請記住,狹義相對論表明,不僅移動的觀察者的時鐘走得更慢,而且移動的物體也會變短。這稱為長度收縮,我製作了一個有關該內容的視頻,您可以觀看,其連結在影片描述中。因此,導線外部的電荷,可以看到導線中的負電荷移動較快,而正電荷移動較慢。由於導線中的負電荷會相對於外部電荷移動得更快,因此負電荷之間的間距比正電荷之間的間距收縮得更多。我暫停動畫,以便您可以看到效果。這意味著負電荷比正電荷更集中,這意味著電線現在帶有淨負電荷(帶負電)。因為我們知道異性相吸,所以會發生的情況是,雖然現在靜止的頂部正電荷不會感受到向下的磁力,但它會感受到向下的電力。曾經的磁力(相對於實驗室的座標系統),現在變成了電力。但無論哪種方式,力都是向下的。 如果我們觀察電線外部的電荷以與電流相反的方向移動的情況(至少從我們的角度來看),會發生什麼事?我們可做同樣的分析。由於我們看到電線中的負電荷是靜止的,而正電荷是移動的,因此在電線外部的電荷的參考座標中,我們看到電線中的正電荷比負電荷移動得更快。這意味著電線外部的電荷看到的正電荷比負電荷更集中。由於頂部電荷為正且同性電荷相互排斥,因此導線外部的電荷會受到排斥力並被推離開導線。同樣,雖然外部觀察者和電線外的電荷在磁力和電力方面存在分歧的認知,但他們都同意電荷被推離電線。讓我們回顧一下。移動的電荷產生並感受到磁力,如果電荷不移動,它們既不會產生也不會感受到磁力。而且,因為參考座標系的不同,電荷可能會移動,也可能不會移動。幸運的是,狹義相對論挽救了局面,將磁力轉化為電力,反之亦然。好的,這一切都非常酷,但有什麼注意事項呢? 注意事項
|