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经典电磁理论中的电荷守恒定律:普遍适用的基本守恒定律

更新时间:2024-06-21 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

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经典电磁理论认为电荷守恒。这是一个被广泛接受的观点。所有出版的书籍和老师都教导学生坚持这一观点。以下内容摘自《电磁问题讨论》电荷守恒定律,人民教育出版社 2003 年 6 月首次出版。u6F物理好资源网(原物理ok网)

电荷守恒定律:“在任何物理过程中,在一个与外界不进行电荷交换的孤立系统中,电荷的代数和保持不变,这就是电荷守恒定律。它是迄今为止被一切实验证明的定律,是物理学中普遍适用的基本守恒定律之一。”u6F物理好资源网(原物理ok网)

摩擦带电或静电感应带电现象,简单地说就是一定的电荷从一个物体转移到另一个物体上,或从一个物体的一部分转移到另一个物体上,其实就是原来存在的正、负电荷分离、相互中和的过程。对于两个物体相互摩擦构成的体系(或整个静电感应导体),在摩擦过程或静电感应过程中,体系电荷的代数和保持不变。u6F物理好资源网(原物理ok网)

光子是不带电、没有电结构的基本粒子。现代实验发现,能量(hυ)大于电子静止质量(m0c)能量两倍的高能光子在与物理粒子相互作用的过程中,可能产生电子、正电子对。产生的正电子、电子对相互吸引电荷守恒定律,二者围绕共同质心运动,形成正电子素。约10秒后,正电子素中的正电子、电子对又相互掩埋,产生两个光子。这里似乎没有正负电荷的转移,而是正电子、电子对是由光子产生的,而光子又是由正电子、电子对湮没产生的。但在实验所能达到的精度范围内,证明了正电子和电子的电荷恰好相等,成对产生和湮没的正电子、电子对,并不改变系统电荷的代数和。 因此,电荷守恒定律仍然成立。u6F物理好资源网(原物理ok网)

还有“相对论电荷不变性”,即从不同的惯性系看,带电粒子的电荷是相同的。换言之,系统的总电荷不会因带电体的运动而改变。与质量随速度变化相比,电荷不变性是一个值得关注的重要性质。u6F物理好资源网(原物理ok网)

电荷不变性原本是一种信仰和假说。1901年,考夫曼在测量Ra-C发射的β射线的荷质比时发现,荷质比e/m随速度而变化。在电荷不变性假设下,他做出了质量随速度变化的猜想。后来,他在狭义相对论的基础上推导出质速关系后,利用质速公式和电荷不变性假设解释了荷质比随速度变化的事实。这相当于证实了电荷不变性假设是正确的。u6F物理好资源网(原物理ok网)

我们可以想象,如果电荷随速度而变化,那么不同原子中电子和质子的运动就有很大差异,因此不同原子会有不同的净电荷,并非全部呈中性。然而,高精度实验证实所有原子都是中性的,这有力地表明电荷与运动速度无关。[1]u6F物理好资源网(原物理ok网)

电荷守恒定律u6F物理好资源网(原物理ok网)

公式是u6F物理好资源网(原物理ok网)

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“电荷的不变性对于电荷的量子化性质具有特殊的意义。如果电荷随速度而变化,而速度又可以连续变化,这必然否定电荷是量子的结论。事实上,一切带电基本粒子的电荷绝对值都等于e,无论它们处于什么运动状态。这个非常重要的事实,不仅表明了电荷的量子性,而且证明了电荷的不变性。”[1]u6F物理好资源网(原物理ok网)

以上内容就是所谓的“电荷守恒定律”。“电荷守恒定律”其实包括两部分,一部分是电荷数守恒定律,即只要电荷不湮灭,电荷数量就保持不变。另一部分是所谓的“电荷的相对论不变性”,即电荷不随运动而变化。但我们知道,根据爱因斯坦的狭义相对论,质量是随运动而变化的,所以电荷不同于质量,与运动无关。u6F物理好资源网(原物理ok网)

新视角u6F物理好资源网(原物理ok网)

有人对电荷的相对论不变性提出质疑,在《论运动电荷的相互作用》中文预印本系统物理自然科学论文第1230号,作者李东学,[2]认为电荷量随速度而变化,运动电荷与静电荷之间的定量关系,与运动物体与静止物体之间的相对论质量关系相同。u6F物理好资源网(原物理ok网)

根据狭义相对论的质量速度公式u6F物理好资源网(原物理ok网)

,m0为物体静止时的质量,m为物体运动时的质量。由v≤c可知,质量随速度的增加而增大。u6F物理好资源网(原物理ok网)

电荷守恒定律u6F物理好资源网(原物理ok网)

关于运动电荷相互作用的证明结论是u6F物理好资源网(原物理ok网)

,Q0为带电体静止时所带电荷,Q为带电体运动时所带电荷。由v≤c可知,电荷随速度的增加而增加。u6F物理好资源网(原物理ok网)

本文还解释了上述“电荷守恒”观点的几个反例,例如为什么原子是电中性的,以及如何解释法国科学家考夫曼(W.,1871-1947)发现的电荷质量比e/m随速度变化的事实。《论运动电荷的相互作用》认为这些事实和实验需要重新解释。在测量电荷质量比的过程中使用了磁场的概念,这掩盖了电荷移动后电荷量随速度增加的事实。u6F物理好资源网(原物理ok网)

同时,论文提出平衡力是洛伦兹变换下的不变量,从理论上推导出电流素间相互作用的安培定律,以及电荷在磁场中运动的洛伦兹力公式,解释了电流间的相互作用来自于运动电荷所带电量随速度的变化,解释了电流磁效应的本质来源。[2]u6F物理好资源网(原物理ok网)

关于电荷不守恒,已经有一些讨论和实验,如青岛大学学报-自然科学版2000年第3期发表的论文《电荷不守恒问题的探讨与研究》;1998年物理杂志上的论文《思维的惯性——电荷守恒吗?》从量子力学的角度讨论了电荷不守恒。u6F物理好资源网(原物理ok网)

总结报告u6F物理好资源网(原物理ok网)

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运动电荷不守恒有两种观点,一种是以李东学先生为代表的,他认为电荷随速度变化,不需要任何附加条件。也就是说,他认为不管是普通的机械运动条件还是量子态,电荷都是随速度变化的,电荷Q不是洛伦兹变换下的不变量。他还证明了一个公式。这个理论在1997年7月完成,它的特点是建立了一个完整的理论。它还抛弃了磁场。[2]u6F物理好资源网(原物理ok网)

另一种观点则以倪光炯先生为代表,他认为在高能粒子相互作用过程中,电荷守恒会被破坏。“电荷守恒在自然界中是不存在的。”给出的解释是,这只是一种量子效应,但没有给出变换公式,而且倪光炯不认为电荷在正常情况下会发生变化。换言之,倪光炯仍然认为Q是洛伦兹变换下的不变量。这一点从倪光炯先生与艾小白先生的辩论文章中可以看出来。而他从未考虑过放弃磁场。[3]u6F物理好资源网(原物理ok网)

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