电磁实验是检验闭合回路激发磁场定律的唯一标准

朱昱昌

摘要：本文通过类比推理 阐述了磁通变化在发电机的转子中激发电流，输电线路中的电流是由发电机输出的电流。激发电流离开转子就是输出电流。输出电流就不是磁通变化在输电线路中新激发的电流。同理，电流环也存在激发磁场和环流磁场这样两种紧密相连却又意义不同的磁场。在电流环的内部空间即从等效S极到等效N极是激发磁场。在电流环的外部空间由等效N极到等效S极的磁场是环流磁场。

关键词：闭合回路   电磁感应  电磁实验  激发磁场  环流磁场  代数叠加

引言

电磁场理论属于基础物理范畴。我认为电磁场理论的突破无非有两种可能：一个是从实践到理论，即在实践中发现新现象，需要上升到理性认识。这个突破容易被专家、大师们接受。另一个是从理论到实践，即发现现有理论中存在矛盾，需要经过实践验证。这个突破容易走弯路。往往是一些学者发现矛盾以后寄希望于专家、大师们认可。而专家、大师往往又陷入自证误区。你否定什么，他就用什么反驳你，让你疲于打口水仗。其实，我们发现矛盾以后就应该寻找电磁实验方案。经过电磁实验检验以后再找专家、大师们论证。在电磁实验结果面前，任何与电磁实验结果矛盾的论述都无言狡辩。大师也不例外。

一、提出问题的依据

为什么要提出“电流环等线圈究竟在哪里激发磁场”？依据就是在《电磁学》教材中存在3个很矛盾的论述。

第一个是说：电流环既在内部激发磁场也在外部激发磁场。请看《电磁学》P97页图2—21求圆线圈轴线上的磁场。这个电流环在圆心处即电流环与轴线的正交处激发磁场B=μ0I/2R。这是电流环在轴线上的最大值，离电流环圆心越远越小。言外之意，就是所有的磁感应线都是电流激发所致，只是没有找到计算公式而已。

第二个是说：电流元只在螺线管内部不在电流环内部激发磁场。请看 《电磁学》P101页图2—27环向电流筒轴线上的磁场。这里只强调电流环上的电流元在远处乃至无穷远处的轴线上激发磁场，完全忽略了电流环的独立性。即忽略了每个电流环都能独立在与轴线正交处激发磁场。该例题导出无限长螺线管内部轴线磁场收敛于   B=μ0nI，半无限长螺线管内部轴线端点磁场收敛于B=μ0nI/2（这两个结论的量纲是错的）表示的是什么？让人捉摸不透。

第三个是说：电流环具有独立性，而且只能在内部空间激发磁场和磁通量。请看《电磁学》P156頁“（3.2）式只适用于单匝导线组成的回路。如果回路不是单匝线框而是多匝线圈，那么当磁通量变化时，每匝中都将产生感应电动势。由于匝与匝之间是互相串联的，整个线圈的总电动势就等于各匝所产生的电动势之和。如果穿过每匝线圈的磁通量相同，均为φ，则 Ψ=Nφ。”这里没有说每匝导线在外部空间激发磁场和磁通量。

二、类比推理划清两种磁场并发现了闭合回路激发磁场定律

磁生电、电生磁都有各自的客观规律。磁通变化在发电机的转子中激发电流（生成电流）。输电线路中的电流是由发电机输出的电流。激发电流离开转子就是输出电流。输出电流就不是磁通变化在输电线路中新激发的电流。同理，电流环也存在激发磁场和环流磁场这样两种紧密相连却又意义不同的磁场。在电流环的内部空间即从等效S极到等效N极是激发磁场。在电流环的外部空间由等效N极到等效S极的磁场是环流磁场。环流磁场会弥散在近旁的整个空间。等效N极就是喷发环流磁场的源泉，等效S极就是吸收环流磁场的黑洞。电流不止，源泉不竭，黑洞吸纳不停。激发磁场流出等效N极就是环流磁场。环流磁场就不是电流环在外部场点新激发的磁场。载流螺线管内部从S极到N极是激发磁场。外部从N极到S极是环流磁场，会弥散在整个外部空间。我们拿一个和这个螺线管内半径相同的软铁芯，把一端对准N极，另一端对准S极，就把螺线管外部环流磁场全部吸收进磁路里，进行环流。但是，软铁芯无法改变螺线管内部的激发磁场及形态。我们只要搞清楚了什么是激发磁场、什么是环流磁场乃至二者的本质区别，就会发现：电流环只能在两个端平面（即两个等效磁极）所围成的内部空间激发磁场。又因为，任何一种完全相同的N个闭合回路按照右手定则串联在一起都是电磁铁。所以，我们是否可以推断：“电流环等任意一个闭合回路中的电流都只能在闭合回路与两个端面所围成的内部空间激发磁场，并服从右手定则。”这很可能就是一个实验定律。我猜想人们可能无法给出严格证明，但是任何电磁实验都不可能存在反例。这个定律可以称为“闭合回路激发磁场定律”。有了这个定律，上面三个说法孰是孰非？就会一目了然。

例如第一个说法：电流环在内部轴线处即圆心处激发磁场是对的。但是说电流环也在外部轴线处激发磁场，这就是画蛇添足了。

例如第二个说法：电流环上的电流元能够在远处乃至在无穷远处激发磁场，这是完全错误的。特别是无限长螺线管内部轴线磁场表达式B=（μ0nI/2）（cosβ2-cosβ1），内点磁场极限B=μ0nI;半无限长螺线管轴线端点磁场极限B=μ0nI/2，这三个结论量纲不对，让人无法琢磨。《电磁学》教材为了解释这个矛盾又编造了一个理论根据“螺线管存在漏磁通”。可以说：《电磁学》教材为了掩盖一个谎言，又编造了一个更大的谎言！甚至连量纲的对错都不顾啦！

只有第三个说法正确，因为它是法拉第电磁感应定律。列宁说过，真理只要向前一步，哪怕是一小步，就会成为谬误！ 法拉第电磁感应定律，只讲两个端平面以内 的线圈所激发的磁通量。因为外面没有线圈，所以就不考虑两个端平面以外的事情。《电磁学》教材却乱发挥，专门研究线圈以外的磁场和磁通量，把人们引入歧途，那就真的变成了谬误！其实，线圈以外的磁场是环流磁场，是由正负两个磁极决定的。

如果一个载流线圈由N周导线绕制而成，我们既可以把它分解成互相串联的N个电流为I的闭合回路，也可以把它合成一个电流为NI的闭合回路。根据法拉第电磁感应定律，线圈中的电动势满足代数叠加、全磁通满足代数叠加，必然导出线圈内部轴线上的磁场也满足代数叠加。线圈内部轴线磁场满足代数叠加的实质和真谛就是线圈中的电流满足代数叠加。因为电流是标量不是矢量。标量满足代数叠加这是基本常识，没有必要故弄玄虚 。如果从分解的角度看，线圈内部空间的磁场是激发磁场和代数叠加磁场;如果从合成的角度看，线圈内部磁场就是激发磁场，无需进行分割叠加。如果就线圈内部空间的某一个场点而言，它既是激发磁场的生成点，也是环流磁场的起始点，还是环流磁场的回归点。可以说是三点归一。如果从整体而言，线圈内部的磁场就是激发磁场。而且，线圈内部轴线磁场是匀强磁场。线圈内部与轴线平行的每一条线段上都是匀强磁场。线圈内部每一个场点的磁场强度都与电流NI相关，都是该点所对应的电流为I时的N倍。按照右手定则，线圈的右端面是等效N极，也是激发磁场转化为环流磁场的起始界面;左端面是等效S极，也是环流磁场的回归界面。

三、電磁实验方案的构想

我们期待着中国的人造太阳实验结果。中国的人造太阳即“全超导托卡马克核聚变实验装置”。2017年度首次达到等离子体中心电子温度达到五千万度，首次实现 101.2秒稳态放电。2018年11月12日发布消息我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体中心电子温度首次达到一亿度。可以说：从五千万度到一亿度这是一个 伟大的飞跃。首先它验证了核聚变的可能性和可行性。它的意义是非常重大的。但是这方面理论我不懂。不过它是磁约束装置，场强和被约束的核聚变温度是成正比的。2017年EAST创造了101.2秒高约束模等离子体运行的稳定时间世界纪录。今年（2018年）又从五千万度跃升到一亿度高温。怎么进展得这么快？！这就是EAST的意外收获！我们知道EAST是一个磁约束装置，要想约束一亿度的高温，也只能成比例地增加磁场强度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺线管和螺绕环都满足代数叠加。但线圈满足代数叠加的实质是电流满足代数叠加。因为电流是标量，不是矢量，故满足代数叠加。假设一周导线的电流为I，把相同的N周导线串联到一起就是电流为NI的螺线管。这个螺线管的两个端平面所夹的轴线为匀强磁场。两个端平面所夹的螺线管内部空间为激发磁场，两个端平面以外的磁场为环流磁场。把这个螺线管两头对接到一起就是螺绕环。螺绕环外部没有环流磁场。螺绕环的轴环线是匀强磁场，强度为µ0NI/R。如果要想把中心等离子体电子温度提升到两亿度时，我们就把原来的线圈个数N扩大到2N基本满足要求。EAST是一个磁约束装置，也是一个密闭装置。可以证明超导螺绕环外部没有环流磁场，也不存在漏磁通。中国的人造太阳获得重大突破证明了什么？我想同时也证明了：1、螺线管、螺绕环满足代数叠加;2、螺绕环外部没有环流磁场;3、由2的成立，可以证明螺线管内部为激发磁场，外部为环流磁场，两头对接以后 ，外部的环流磁场就消失了。

四、结语

综上所述，“闭合回路激发磁场定律”，必须要经过电磁实验证。我们知道中国的人造太阳就是一个电磁实验。EAST是一个磁约束装置，要想约束一亿度的高温，也只能成比例地增加磁场强度。到底是多大比例，我不清楚。但我知道螺线管和螺绕环都满足代数叠加，但线圈满足代数叠加的实质是电流满足代数叠加。因为电流是标量，不是矢量，故满足代数叠加。假设一周导线的电流为I，把相同的N周导线串联到一起就是电流为NI的螺线管。这个螺线管的两个端平面所夹的轴线为匀强磁场。两个端平面所夹的螺线管内部空间为激发磁场，两个端平面以外的磁场为环流磁场。这个螺线管的轴线磁场为B=μ0NI/2R，把这个螺线管的两头对接到一起就是螺绕环。螺绕环外部没有环流磁场。螺绕环的轴环线是匀强磁场，强度为µ0NI/R。如果磁场强度还不够，可以增加线圈个数N即可。

参考文献

[1]电磁学/赵凯华，陈熙谋，——北京：高等教育出版社2003.4（2005重印）.〔1〕P97图2—21求圆线圈轴线上的磁场;〔2〕P101图2—27环向电流圆筒轴线上的磁场;〔3〕P156（3.2）式。

[2]《科学与生活》2021年第17期《无限长螺线管内部轴线磁场表达式不能成立》。