磁陀螺運(yùn)動與現(xiàn)代物理學(xué)漫談6——重論法拉第力線

1、磁陀螺運(yùn)動與現(xiàn)代物理學(xué)漫談（6）重論法拉第力線重論法拉第力線對法拉第磁力線形成的物理原理及其應(yīng)用的探討司 今（廣州毅昌科技研究院 廣州 510663 E-mail:jiewaimuyu）摘 要 ：英國物理學(xué)家法拉第于1831期間在研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時形成了“力線”思想，他用磁力線、電力線來描述磁鐵與帶電金屬球體周圍的力分布“狀態(tài)”；至于這些力線是如何形成的？它包含什么物理含義？等實(shí)質(zhì)性問題，法拉第并沒有給出明確解釋。法拉第力線無疑是目前場物理學(xué)研究中最重要的場物理模型，但它也存在一定缺陷；找出磁力線產(chǎn)生的物理機(jī)制及其代表的物理意義，對考究場理論建立的基礎(chǔ)是否牢固、正確，無疑是最佳的楔入口。本文正

2、是沿著這一思路，嘗試性地探討了法拉第力線形成的物理機(jī)制及其原理（磁極矩原理），并將這一原理運(yùn)入到偶磁極自旋體（如磁陀螺、自旋磁粒子、自旋星體等）在磁場中運(yùn)動的討論中，從而解惑了很多現(xiàn)代物理學(xué)存在的謎團(tuán)。關(guān)鍵詞：磁極 磁力線 磁力矩 磁陀螺 磁偶極子 自旋磁子中圖分類號： 0441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0 引言法拉第“發(fā)明”磁力線無疑是場物理學(xué)發(fā)展史中一大創(chuàng)舉，它不僅使抽象的場概念直觀化，也給高斯、麥克斯韋電磁波理的出現(xiàn)論指明了方向；高斯通過磁通量將場空間分布屬性幾何化，麥克斯韋二“論法拉第力線”，從流體力學(xué)概念出發(fā)為它建立了一套數(shù)學(xué)描述格式；我這里“重論法拉第力線”，從“磁極矩原理”出發(fā)，想為它建立

3、一種力學(xué)描述形式。我們知道，法拉第力線是由磁體對撒落在其周圍鐵粉磁化并產(chǎn)生重新排布現(xiàn)象而抽象出來的、一種關(guān)于“磁場”理論的物理模型；磁場是真實(shí)存在的，但磁力線并不是真實(shí)、客觀存在的，它是為了形象描述“磁場”而人為假想的線。將磁場理論建立在這種不存在的力線概念之上，其建立基礎(chǔ)的可靠性、牢固性應(yīng)當(dāng)受到質(zhì)疑：1、如果法拉第力線不存在，那么他否定磁場力超距性的依據(jù)是什么？2、如果法拉第力線不存在，那么高斯磁定律的物理意義何在？3、如果法拉第力線不存在，那么洛倫茲運(yùn)動中電子切割磁力線現(xiàn)象該如何詮解？4、如果法拉第力線不存在，那么法拉第電磁感應(yīng)中磁通量變化又有什么物理含義？5、如果法拉第力線不存在，那么麥

4、克斯韋的電磁波理論該如何解讀？，法拉第力線模型在解決電磁學(xué)的一些運(yùn)動現(xiàn)象時是不夠徹底、深刻的，當(dāng)電子進(jìn)入“量子力學(xué)”空間時，發(fā)現(xiàn)它有自旋磁矩，就更顯示出了法拉第磁力線模型的弊端來。那么，我們應(yīng)該建立一個怎樣的“場”物理模型才能夠使量子力學(xué)所描述的一些帶場的粒子運(yùn)動圖景清晰起來？這是擺在目前場物理學(xué)發(fā)展里程中不可逾越的巨大障礙！解鈴還須系鈴人，追根溯源，探尋法拉第力線形成的物理機(jī)制和物理本質(zhì)很有必要。1 磁極與磁庫倫定律人類發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象要比發(fā)現(xiàn)電現(xiàn)象早；最早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象是從磁鐵開始的，磁鐵有 N、S 兩極，它們同號相斥、異號相吸，于是人們假定，在一根磁棒的兩極上有一種叫做“磁荷”的東西，N極上的叫正

5、磁荷，S極上的叫負(fù)磁荷，同號磁荷相斥，異號磁荷相吸；后來發(fā)現(xiàn)電現(xiàn)象也有類似情況，電荷也有正、負(fù)兩種，它們也是同號相斥、異號相吸。1.1 磁極如圖-1，如果將一塊條形磁鐵投入到碎鐵屑中，再取出時可以發(fā)現(xiàn)，靠近磁鐵二極的地方吸引的鐵屑特別多，即磁性特別強(qiáng)，這塊磁性特別強(qiáng)的區(qū)域就稱為磁極，中部沒有磁性的區(qū)域叫做磁中性區(qū)；磁極之間遵循“同極相斥、異極向吸”原則。 從廣度和深度而論，磁鐵的這些特性對與宏觀的偶磁極恒 圖-1星、行星、磁陀螺、小磁針等，微觀的偶磁極原子核、質(zhì)子、中子、電子等應(yīng)都適用。 1.2 磁庫倫定律庫倫在用“扭秤”（如圖-2）測得點(diǎn)電荷之間的相互作用力服從平方反比分布關(guān)系之后，直覺地感

6、到磁極之間的相互作用力也服從類似的關(guān)系；與電偶極子類比，一個小磁針也可以看成是一個“磁偶極子”，在它的兩端各帶有正負(fù)磁荷（設(shè)N極帶正磁荷+qm，S極帶負(fù)磁荷-qm）。如圖-3所 圖-2 圖-3示，庫倫用類似電“扭秤”原理精心設(shè)計(jì)磁“扭秤”實(shí)驗(yàn)，最終證明，磁極（又稱點(diǎn)磁荷）1、2之間也服從類似點(diǎn)電荷之間的磁庫倫定律，即F=kmqm1qm2/r2. 1.3 磁性起源在磁物理學(xué)發(fā)展史中，關(guān)于磁性起源問題存在二種觀點(diǎn)：最先出現(xiàn)的是“磁荷”觀點(diǎn)，后來安培提出了“分子電流”觀點(diǎn)；這二種觀點(diǎn)至今還深深地影響著現(xiàn)代物理學(xué)。今天，磁起源的電流觀點(diǎn)因其能夠完滿地解釋各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而得到了公認(rèn)；磁荷觀點(diǎn)卻因一直找不到

7、磁單極而漸為人們所淡忘。 其實(shí)，用磁荷觀點(diǎn)建立起的一套理論，與電學(xué)理論具有明顯的對稱性，磁荷理論闡述的一系列定理、定律和公式，以及用它們所做的問題計(jì)算，不僅同樣有效，而且有時更為簡潔和便于記憶，究其根本原因就是，雖然至今沒有發(fā)現(xiàn)磁單極，但磁偶極子確實(shí)存在?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：磁偶極子實(shí)際就是一個小圓電流的等效模型，“電流說”與“磁荷說”兩種理論觀點(diǎn)正是通過“小電流環(huán) 磁偶極子”這個兩重性模型被聯(lián)系了在一起。我覺得現(xiàn)代物理學(xué)的這種“聯(lián)系”有一些“牽強(qiáng)”，存在不合理性，因?yàn)椤半娏髡f”只能解釋“公轉(zhuǎn)”磁效應(yīng)，并不能解釋“自旋”磁效應(yīng)。其實(shí)，磁性起源應(yīng)包括二個方面：（1）公轉(zhuǎn)生磁，（2）自旋生磁；但現(xiàn)代物

8、理學(xué)只一味地強(qiáng)調(diào)用分子電流觀點(diǎn)（即公轉(zhuǎn)生磁）去認(rèn)識磁性起源，這就深深掩蓋了“自旋生磁”現(xiàn)象的存在，它留給量子力學(xué)關(guān)于“自旋磁矩”起源的論述只能用“內(nèi)稟”一詞去“擋駕”了（內(nèi)稟：存在但并不彰顯，或不為人知）；量子力學(xué)用“內(nèi)稟”性來詮解“自旋磁矩”，這顯然是一種逃避磁起源本質(zhì)深層探索的懶惰做法。自旋生磁效應(yīng)可以用公式qm=m來描述，即對一個自旋物體而言，其自旋“磁荷”量大小是由其質(zhì)量m、自旋角速度共同決定的；如中子星體積小，但m、大，故會表現(xiàn)出強(qiáng)磁性；再如，金星質(zhì)量m比火星大，但其自旋角速度比火星小，即有qm金=m=4.83×1024×2/243×24qm火=m=6.

9、4×1023×2/24.6，故金星表現(xiàn)的磁場就比火星要弱。當(dāng)然，公轉(zhuǎn)生磁效應(yīng)也與其公轉(zhuǎn)角速度分不開，它的“磁荷”量大小可以用qm=m來描述具體論述可參閱司今物質(zhì)自旋與力的形成、磁子論等文章。2 小磁針偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與磁極矩原理小磁針與條形磁鐵一樣，也有二磁極性，且遵循“同極相斥、異極相吸”原則。小磁針在磁場中的受力表現(xiàn)是通過小磁針磁極與磁體磁極相互作用而實(shí)現(xiàn)的，對此，我們可以通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證：2.1 先放置小磁針，后放置磁體實(shí)驗(yàn)視頻-1：我們先將小磁針排放好，然后將一塊條形磁鐵移向小磁針放置區(qū)；在磁鐵移動過程中，我們會發(fā)現(xiàn)，小磁針會隨磁鐵磁極靠近的先后順序而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化，這說明，

10、小磁針的磁極受到磁鐵磁極影響而產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)。 2.2 先放置磁體，后放置小磁針實(shí)驗(yàn)視頻-2：我們先放置一塊磁鐵，然后在磁體周圍逐 實(shí)驗(yàn)視頻-11個次第放置小磁針，就會發(fā)現(xiàn)，小磁針磁極轉(zhuǎn)動與排列過程與實(shí)驗(yàn)視頻-1是一致的，這說明小磁針轉(zhuǎn)動及磁極排列方向是受磁鐵磁極影響的結(jié)果。那么、小磁針為什么要產(chǎn)生轉(zhuǎn)動？其磁極方向?yàn)槭裁匆a(chǎn)生如此排列呢？小磁針是一個偶極磁體，它磁性表現(xiàn)最強(qiáng)部分也是在其二端，且在其幾何體中心處有一個可以轉(zhuǎn)動的軸存在。 當(dāng)我們把磁鐵向小磁針放置區(qū)移動時，小磁針二端磁 實(shí)驗(yàn)視頻-22極就會受磁鐵磁極力矩作用而產(chǎn)生變化；如果小磁針二端所受磁鐵磁極力矩作用相等時，它就不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，如圖-4

11、中的0小磁針；如果小磁針二端所受磁體磁極力矩作用不相等時，它就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，如圖-4中的1、2、3、4小磁針。由此可見，小磁針旋轉(zhuǎn)變化是受磁鐵磁極力矩作用的結(jié)果，即稱之為“磁極矩原理 ”；但圖-4中小磁針的分布狀態(tài)并不按法拉第磁力線所描繪的曲線形式排列。 圖-4如果我們將小磁針之間首尾靠近一些，它們又會產(chǎn)生什么樣的排列分布形式呢？如圖-5.1所示，將沒有旋轉(zhuǎn)軸的小磁針片首尾靠近排列成二行，并保持各小磁針片之間因玻璃平面摩擦力作用而不移動，然后輕敲玻璃板以克服磁針片與玻璃平面間摩擦力的影響，則小磁針片就會產(chǎn)生圖-5.2所示的分布狀態(tài)，它接近符合法拉第磁力線的排列形式，這是為什么？ 我們從磁體磁極角

12、度分析可以發(fā)現(xiàn)，這些小磁針片在磁鐵周圍空間要受到五個力作用，即： 圖-5 F1：為小磁針磁極與磁鐵磁極之間的引力，它使小磁針磁極產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)； F2：為不同經(jīng)度和維度的小磁針磁極之間的引力，它使小磁針磁極產(chǎn)生較小偏轉(zhuǎn)；F3：為同經(jīng)度、不同維度小磁針磁極之間的磁極引力，它使小磁針磁極之間產(chǎn)生相互吸引并連接呈線狀； F4：為同維度、不同經(jīng)度小磁針磁 圖-6極之間水平方向的磁極斥力，它使小磁針磁極之間產(chǎn)生相互排斥，從而使得不同維度的小磁針產(chǎn)生分離而形成各自獨(dú)立的經(jīng)線行分布狀態(tài)；f:為小磁針片與玻璃板之間的靜摩擦力，它阻止小磁針向磁體磁極移動（如圖-16示）。如果這個實(shí)驗(yàn)放在太空中做，那么，小磁針將不

13、會再呈現(xiàn)如此穩(wěn)定的“磁力線”排列形式，它們會向中心磁體磁極移動，且在中心磁體二端的小磁針移動速度要比中間的快一些。通過上述力分析可見，對小磁針而言，要形成法拉第磁力線排列狀態(tài)應(yīng)具備在四個條件：（1）、中心磁體的空間長度要比小磁針片大；（2）、各小磁針片之間首尾要靠得很近；（3）、小磁針片要與玻璃平面有一定的摩擦力；（4）、輕敲玻璃板時能夠使小磁針片產(chǎn)生上下振動。下面用一組動態(tài)演示圖 3來觀察不同磁體磁極對小磁針排列形式的影響：圖-7 單磁體偶極磁場對小磁針排列的影響 圖-8 雙磁體異極磁場對小磁針排列的影響 圖-9 雙磁體同極磁場對小磁針排列的影響我們知道，對一根由長顆粒組成的曲線而言，顆粒越

14、小，其組成的曲線越明顯和光滑，那么，為了在實(shí)驗(yàn)中得到更明顯、光滑的磁針排列曲線，我們能不能找到比小磁針更小的偶極磁顆粒呢？有，那就是鐵粉，法拉第磁力線思想的形成正是由這些鐵粉給予的啟迪。3 法拉第磁力線模型的形成過程早年，法拉第曾在玻璃板上撒布鐵粉，并輕敲玻璃板使其振動，則鐵粉就會呈現(xiàn)出許多細(xì)小的曲線段，從而顯示出永久磁鐵或電流導(dǎo)線周圍的磁場分布，據(jù)此他“發(fā)明”了磁力線來形象描述磁體磁場分布的物理特性。法拉第力線形成的實(shí)驗(yàn)演示過程如下：圖-10為實(shí)驗(yàn)視頻-3的qq截圖，實(shí)驗(yàn)步驟為：均勻撒鐵粉輕敲玻璃板確定磁力線方向順鐵屑分布輪廓畫線得磁力線模型圖。 圖-10 實(shí)驗(yàn)視頻-34 qq截圖法拉第磁力

15、線有如下特征：（1）磁力線是人為假象的曲線，客觀上并不存在。（2）磁力線有無數(shù)條且各自獨(dú)立存在。（3）磁力線是立體分布的。（4）所有的磁力線都不會交叉。（5）磁力線疏的地方表示磁性較弱，磁力線密的地方表示磁性較強(qiáng)。4 法拉第磁力線形成的物理本質(zhì)鐵粉本是無磁性的，當(dāng)我們將它撒在條形磁鐵周圍時，鐵粉就會被磁鐵磁場極化成微型“小磁針”，這些 “小磁針”由于受磁鐵磁極力和它們之間磁極力的作用而產(chǎn)生新的有序排列，即形成“磁力線”排布形狀；如圖-11所示，如果我們將這些有序排列在磁鐵周圍的鐵粉放大，就會發(fā)現(xiàn)，它們的排列原理同圖-5“宏觀”磁針片排列原理是一致的，即在“五個力”作用下，遵守“磁極矩原理”排布

16、。仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)視頻-3還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們向玻璃上撒鐵粉時，鐵粉分布曲線形狀并不明顯，這主要是玻璃面對鐵粉顆粒有摩擦力作用，使鐵粉顆粒不能自由移動所造成的；但當(dāng)我們輕敲玻璃時，鐵粉就會因振動而產(chǎn)生移動，并且被極化的鐵粉“小磁針”在磁鐵磁極及它們之間磁極 圖-11力的相互作用下，使鐵粉“小磁針”磁極產(chǎn)生經(jīng)向首尾“相連”、 緯向相互“排斥”、斜向相互“吸引”的作用形式，結(jié)果它們就分化成了一根根獨(dú)立的曲線狀；這就是法拉第磁力線現(xiàn)象形成的物理本質(zhì)，可將這一本質(zhì)稱作法拉第磁力線形成的“磁極矩原理”。 法拉第磁力線反映的是磁體磁極與大量“小磁針”磁極之間相互作用而使“小磁針”產(chǎn)生重新排列分布的結(jié)果；對單個小

17、磁針而言，它與磁場磁極作用并不符合法拉第力線形式，而是遵循“磁極矩原理”相互作用；這不僅說明法拉第磁力線是不存在的，而且也說明法拉第磁力線只是對“鐵粉”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀“截取”的描述，并沒有觸及磁力線形成的物理本質(zhì)。 由法拉第磁力線模型建立起來的一整套關(guān)于磁場的物理理論，如磁通量理論、切割磁力線理論等，甚至電力線、質(zhì)量力線等概念，都不得不讓人產(chǎn)生疑慮：法拉第力線模型真的能夠揭示場的物理本質(zhì)嗎？至此，可以看出，用法拉第力線建立起的場物理理論的基礎(chǔ)是不真實(shí)、也是不牢靠的，對之必須做一些“修訂”；同時，依據(jù)法拉第力線建立起來的場理論也應(yīng)作一些補(bǔ)充和修繕。5 磁極矩原理在物理學(xué)中的應(yīng)用既然法拉第磁力線是由

18、磁體磁極相互作用產(chǎn)生的，那么，我們在研究小磁針在磁體磁場中受力時，就應(yīng)充分運(yùn)用“磁極矩原理”來洞悉它們在磁場空間里所產(chǎn)生的各種運(yùn)動變的物理本質(zhì)才是；同時，對于與小磁針有類似性的物體，如自旋小磁陀螺、自旋偶磁極星體、自旋偶磁極粒子等，對它們在磁場中的運(yùn)動變化也應(yīng)充分考慮“磁極矩原理”在此所發(fā)揮的作用由此，不但可以拓展“磁極矩原理”的應(yīng)用范圍，也為自旋偶磁極物體在磁場中運(yùn)動所應(yīng)遵循的規(guī)律找到了一個可以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的物理模型和理論依據(jù)。但要注意，自旋偶磁極物體在磁場中的運(yùn)動不同于鐵粉、小磁針，鐵粉、小磁針沒有自旋性，且且自旋偶磁極物體在磁場中運(yùn)動多表現(xiàn)出“個體性”，即各自旋偶磁極物體之間在磁場中都有自己

19、的“量子化軌道”，它們之間相互影響的作用可以忽略不計(jì)。5.1 磁極矩原理與磁流體變化的形成用磁流體作實(shí)驗(yàn)也能體現(xiàn) “小磁針”顆粒在磁鐵磁極作用下按“磁極矩原理”重新排布現(xiàn)象。磁流體是用Fe 3O4或其它含鐵化合物的納米顆粒（直徑一般為10nm或更?。┓稚⒌接袡C(jī)溶劑或水的載體中制作成的膠體；這些納米顆粒表面因包附有表面活性劑（如圖-12），故該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才會表現(xiàn)出磁性。我們把磁流體倒在玻璃平面上，它呈凸堆形，然 圖-12后在玻璃平面下方放入一塊磁鐵，則它就會產(chǎn)生如圖-13所示的美麗圖案；當(dāng)取走磁鐵時，它又恢復(fù)凸堆形，這是為什么？它的形成原理與圖-5小磁針在磁鐵周

20、圍有序排列的原理基本一致；如圖14-1所示，分布在膠體中的Fe 3O4納米級顆粒幾乎沒有磁性，故它們在膠體中呈“無序” 圖-13（實(shí)驗(yàn)視頻-45）狀分布；當(dāng)我們在玻璃板下面放入磁鐵后，它們立刻就會被極化成“小磁針”，在磁鐵磁極磁場和它們磁極磁場的相互作用下，按照“磁極矩原理”自然就會排列成如圖14-2所示的有序形式了，其中，F(xiàn)1、F2、F3、 F4的物理意義與圖-5標(biāo)注的相同。 當(dāng)然，納米級硬磁體顆粒同樣也可以制成磁流體，它們在外界磁鐵磁極力影響下也會產(chǎn)生圖-13所示的有序排列現(xiàn)象。 圖-145.2 磁極矩原理與磁陀螺進(jìn)動的形成磁力線是在微觀概念下產(chǎn)生的一種“假想”的場物理模型，它對磁陀螺在磁

21、場中運(yùn)動變化的描述卻是無能為力的，研究磁陀螺在磁場中的運(yùn)動時，必須用“磁極矩原理”來描述才會更真實(shí)、有效。同時，對磁陀螺而言，如果把它縮小到“微觀”，那它就與微觀自旋偶磁極粒子相雷同；如果把它放大到“宏觀”，那它就同宏觀自旋偶磁極星體相類似；由此可以拓展：微觀自旋偶磁極粒子與宏觀自旋偶磁極星體在磁場中運(yùn)動所應(yīng)遵守的原理應(yīng)該同磁陀螺運(yùn)動一樣這就是我為什么一直苦苦致力于“磁陀螺在磁場中運(yùn)動”探究的根本動機(jī)所在。本文只論述靜態(tài)自旋磁陀螺受外磁體磁極影響下的進(jìn)動變化問題，而對平動自旋磁陀螺受磁體磁極的運(yùn)動變化問題將放到磁陀螺運(yùn)動與現(xiàn)代物理學(xué)一文中作詳細(xì)討論。5.2.1 單磁極對磁陀螺進(jìn)動的影響我們知道

22、，一個小磁針受磁體磁極力矩作用時會產(chǎn)生指針方向偏轉(zhuǎn)變化，對于一個自旋磁陀螺而言也應(yīng)如此；如圖-15所示，讓一個磁陀螺軸保持與平面垂直狀態(tài)下自旋，當(dāng)我們?nèi)∫粔K磁鐵放到磁陀螺自旋軸上方一定距離處，磁陀螺自旋軸就會發(fā)生傾斜，這意味著自旋磁陀螺軸受到了外力矩作用，它應(yīng)產(chǎn)生進(jìn)動效應(yīng)，其 圖-15 實(shí)驗(yàn)視頻-56進(jìn)動變化的結(jié)果則是繞磁體磁極作圓周運(yùn)動，此實(shí)驗(yàn)過程可見實(shí)驗(yàn)視頻-4。5.2.2 偶磁極對磁陀螺進(jìn)動的影響如圖-16所示，我們在一水平面上分二行分別擺放著自旋的小磁陀螺和小磁針，當(dāng)我們將一塊磁鐵沿行中線推進(jìn)時，小磁針與小磁陀螺的磁極都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)變化；對小磁針而言，這種偏轉(zhuǎn)會使小磁針向磁鐵磁極位移，甚

23、至小磁針會被吸引到磁鐵磁極上；但對自旋小磁陀螺而言，它卻并不會被吸引到磁鐵磁極上。 圖-16 圖-17如圖-17所示，我們豎直安裝三層中間有孔的玻璃平面，然后將小磁陀螺自旋軸垂直放在玻璃平面上自旋著；當(dāng)我們將一塊磁鐵插入玻璃孔時，小磁陀螺將會產(chǎn)生什么運(yùn)動變化呢？它還會遵循“同極相斥、異極相吸”規(guī)律嗎？為此引述楊燕老師的自旋磁陀螺的反向傾斜和公轉(zhuǎn)7實(shí)驗(yàn)論文來說明這個問題：我在圖磁盤中央鉆了一個洞，穿上非鐵磁性的鋁軸，并將鋁軸兩端銼尖。這樣就制成了一個磁陀螺，其一端為N極，另一端為S極，再在支撐板中央鉆孔，使之可放入條形磁鐵，并可使條形磁鐵上下移動(見圖18，圖(a)中N極剛露出支撐板面上方，圖(

24、b)中S極剛露出支撐板面下方)。 圖-18使磁陀螺在支撐板面上穩(wěn)定自旋，沒有發(fā)現(xiàn)磁陀螺移動。再在支撐板面中央的孔內(nèi)放入條形磁鐵，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了:磁陀螺馬上就繞著條形磁鐵公轉(zhuǎn).更奇怪的是：磁 陀螺公轉(zhuǎn)時，發(fā)生傾斜，傾斜方向竟然與條形磁鐵磁力作用方向相反-同性相吸，異性相斥！此外，磁陀螺自轉(zhuǎn)方向改變時其公轉(zhuǎn)方向也隨著改變，但反向傾斜特性不變。對之，許多電磁學(xué)和力學(xué)的老師(包括大學(xué)教授)，他們都表示難以解釋。 為此，齊齊哈爾大學(xué)梁法庫教授重新做此實(shí)驗(yàn)（見實(shí)驗(yàn)視頻-5：），并在對自旋磁陀螺反向傾斜和公轉(zhuǎn)運(yùn)動的討論9一文中陳述道： 實(shí)驗(yàn)視頻-68如圖-19所示，磁陀螺從高速自轉(zhuǎn)位置A到因受磁場影響而轉(zhuǎn)

25、到傾斜穩(wěn)定位置B的軌跡。圖-19中(a)、(b)圖是陀螺質(zhì)心從自轉(zhuǎn)位置A 到穩(wěn)定位置B相對支點(diǎn)(軸與面的接觸點(diǎn)) 的軌跡，軌跡尾端的方向即為陀螺質(zhì)心初始速度的方向，又因由自轉(zhuǎn)到穩(wěn)定公轉(zhuǎn)的過程進(jìn)行的較快，以致我們的肉眼不易觀察。 在圖19(a)磁陀螺的初始切向速度與圖18(a) 公轉(zhuǎn)方向相反因磁場排斥作用而遠(yuǎn)離且由平面摩擦而減小，很快就被陀螺的旋滾公轉(zhuǎn)方向的速度淹沒了。 因此，在圖19(a) 位置情況下，觀察到的穩(wěn)定公轉(zhuǎn)是與陀螺旋滾方向一致的公轉(zhuǎn)：圖19(b) 磁陀螺初始切向速度與圖18(b) 公轉(zhuǎn)方向相同因磁鐵的吸引而使陀螺的公轉(zhuǎn)半徑縮小，即增大了切向速度，此時可觀察到圖19(b) 現(xiàn)象。但我

26、覺得上述分析不夠合理，因?yàn)榱航淌跊]有注意到磁陀螺自旋軸上、下端會受中心磁體磁極力影響和“雙旋軸進(jìn)動” 10等因素的存在。對此，我的看法是：這個實(shí)驗(yàn)是由于磁陀螺受外加磁場磁極力矩影響，先產(chǎn)生“雙旋軸進(jìn)動”，當(dāng)其自旋軸上、下二端所受的外加磁體磁極力矩處于平衡時，才會轉(zhuǎn)化成繞中心磁體的公轉(zhuǎn)形式，公轉(zhuǎn)形成過程的具體分析如圖-20(組)所示：圖-20.1表示：沒有中心磁體插入中間孔時，磁陀螺在平面上做定點(diǎn)自旋，且自旋軸與平面垂直。圖-20.2表示：有中心磁體插入中間孔時，磁陀螺因受中心磁體磁極力作用，上部分受斥力要大于下部分吸力，因中心磁體磁場強(qiáng)度分布從上到下逐漸減??；這樣磁陀螺軸因受上下不同的力矩作用

27、而向左傾斜，從而使它的自旋軸下端點(diǎn)產(chǎn)生“雙旋軸進(jìn)動”，如圖-20.3、圖-20.4所示。圖-20.5表示：自旋磁陀螺軸下端運(yùn)動半周后，磁陀螺上部N極與中心磁體N極的斥力矩及它們S極的引力矩就會變化成平衡狀態(tài)，這時磁陀螺質(zhì)心所受的合力矩為0，因此，它的自旋軸下端就不會再跨過下半圓做“雙旋軸進(jìn)動”了；但因磁陀螺所受中心磁體磁極的力矩作用還存在，這時，它就不得不受中心磁體磁極力約束而產(chǎn)生繞中心磁體公轉(zhuǎn)了這才是“楊燕實(shí)驗(yàn)”中自旋磁陀螺所體現(xiàn)的“同極相吸、異極相斥”公轉(zhuǎn)形式形成的物理機(jī)制所在。5.3 磁極矩原理與地球自旋軸、磁軸傾斜的形成如圖-21所示，地球繞太陽作橢圓公轉(zhuǎn)時，地球自旋軸與其公轉(zhuǎn)軌道平面

28、有23.5°的夾角，同時，地球有南北磁極，其磁軸與自旋軸間夾角為11°，太陽赤道平面也與地球公轉(zhuǎn)軌道平面有7.2°的夾角，以此計(jì)算就可得：地球自旋軸與太陽自旋軸之間的夾角為23.5°-7.2°=16.3°，地球磁軸與太陽自旋軸夾角為23.5°-7.2°-11°=5.3°。 圖-21由此可以看出，地球繞太陽公轉(zhuǎn)就像一個自旋磁陀螺繞中心磁體進(jìn)動一樣，這種進(jìn)動形成的物理機(jī)制與“楊燕實(shí)驗(yàn)”基本相同，都遵循“磁極矩原理”，但不同的是地球磁陀螺是在無“重力場”參與下形成的公轉(zhuǎn)。圖-22：太陽自旋有分層性，從

29、而產(chǎn)生分層磁場，這些分層磁場是自旋行星繞太陽產(chǎn)生量子化軌道分布運(yùn)動的根本原因，這正體現(xiàn)了“內(nèi)因決定外因，外因體現(xiàn)內(nèi)因”的哲學(xué)原理.至于為什么太陽磁軸會表現(xiàn)出上S、下N的形式？如圖-22所示，這是因?yàn)樘柦M成有分層性，其內(nèi)部自旋也應(yīng)有對流分層性，從而會產(chǎn)生分層旋轉(zhuǎn)磁場；這正是行星在太陽外產(chǎn)生量子化軌道分布的成因所在，也是太陽磁極磁場表現(xiàn)紊亂的根本原因。以此為據(jù)可以推斷，在太陽自旋軸上方不同的空間高度，我們可以測出太陽應(yīng)表現(xiàn)出不同的磁極性；同時，銀河 圖-23系中心體的自旋軸與太陽自旋軸也應(yīng)存在一定的傾角（如圖-23）；詳述請參閱司今太陽系行星量子化軌道形成原因之分析一文。 同時，我們應(yīng)注意：要使

30、自旋磁陀螺繞中心磁體產(chǎn)生公轉(zhuǎn)，則中心磁體的軸向高度要比磁陀螺自旋軸的高度大很多才可以形成；由此可知，地球只能繞太陽運(yùn)動，不可能繞比地球半徑小的其他天體運(yùn)動；同理，中子星由于其自旋軸半徑小，它就無法撲捉到自己的衛(wèi)星。5.4 磁極矩原理與法拉第電磁感應(yīng)的形成現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，電子是一個自旋粒子體，有自旋磁矩存在，因此，電子也可以被看做是一個自旋的“微磁陀螺”，那么，它遇到外界磁鐵磁場時會產(chǎn)生什么樣的運(yùn)動變化呢？對此，我們不妨用法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象予以探討。如圖-24，法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象描述的是：當(dāng)通過一個閉合導(dǎo)電回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，不管這種變化是由什么原因引起的，閉合回路中都會有電子流產(chǎn)生

31、。 圖-24 如圖-25-1所示，假設(shè)電子們“垂直”分布在金屬線圈內(nèi)，并被金屬元素的原子核所“禁錮”著；當(dāng)在線圈上方施加外磁場時，它們就會受磁體磁極力矩影響而產(chǎn)生自旋軸傾斜，這種傾斜變化就會使電子產(chǎn)生像實(shí)驗(yàn)視頻-5、6那樣繞磁體磁極的進(jìn)動(如圖-25-2所示)，結(jié)果電子就在線圈內(nèi)產(chǎn)生定向流動；假如電子從a極流出，通過燈絲后則流入b極，這就是法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的物理本質(zhì)。 圖-25當(dāng)然，運(yùn)用“磁極矩原理”，我們還可以解釋經(jīng)典電磁學(xué)中的洛倫茲運(yùn)動、LC振蕩、“電磁波”發(fā)射等現(xiàn)象，而且還能解釋量子力學(xué)中盧瑟福原子模型、莫拉爾進(jìn)動、AB效應(yīng)、電子衍射、斯特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)、波粒二象性等現(xiàn)象，但因篇幅

32、所限，這里就不一一贅述了；對這些內(nèi)容有興趣的朋友可參閱司今磁陀螺運(yùn)動與現(xiàn)代物理學(xué)、洛倫茲運(yùn)動的幾種形態(tài)及其推廣、原子系電子量子化軌道形成原因之分析、“波粒二象性”的本質(zhì)等文章。6 小結(jié)6.1、法拉第力線是人為假想的線、實(shí)際并不存在，它只是為描述場物理學(xué)而提出的一種假設(shè)物理模型，這一模型對場物理學(xué)的建立及初期發(fā)展起到了一定的推動作用，但隨著物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究的深入，它的弊端也逐漸顯現(xiàn)出來了，如它對研究自旋偶磁極物體在磁場中的運(yùn)動就存在嚴(yán)重束縛性。6.2、法拉第力線產(chǎn)生的物理本質(zhì)是磁體磁極之間相互作用的結(jié)果，從“磁極矩原理”出發(fā)，重新建立現(xiàn)代場物理學(xué)模型勢在必行。6.3、支配電磁學(xué)、量子力學(xué)、行星運(yùn)動學(xué)等自旋偶磁極體運(yùn)動的最基本物理模型應(yīng)是自旋磁陀螺在磁場中運(yùn)動的模型。6.4、“磁極矩原理”是支配自旋偶磁極體，如磁陀螺、粒子、星體等在磁場中產(chǎn)生曲線運(yùn)動（進(jìn)動）的最基本原理，用此原理可以揭開現(xiàn)代物理學(xué)中的諸多謎團(tuán)。7 結(jié)束語法拉第磁力線概念無形中掩蓋了磁體間相互作用遵守“磁極矩原理”這一物理本質(zhì)，它對后來場物理學(xué)發(fā)展所帶來的影響后果是嚴(yán)重的；從此，人們對磁場的研究與認(rèn)識就深陷于法拉第力線所描繪的虛幻泥潭中而不能自拔直到現(xiàn)代，人們對場物理學(xué)的認(rèn)識還被力線思想模型所禁錮；不打開這個鎖，人們將永遠(yuǎn)無法真