再论安培力产生的微观机制，本文主要内容关键词为：安培力论文,微观论文,机制论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关于安培力产生的微观机制，有以下四种常见观点。但是这些观点或多或少存在一些问题，甚至是错误，本文在对其商榷的基础上，提出新的观点。
一、四种常见观点中存在的问题
1.磁场观点[1]
通电导体所受的安培力等于导体内每个运动电荷所受的洛仑兹力的矢量和。
图1
基于这一原因，中学课本明确指出：安培力是洛仑兹力的宏观表现，其值为作用在每个运动电荷上洛仑兹力的合力，并据此导出了洛仑兹力公式。
存在问题：它仅从数值上说明了安培力和洛仑兹力的关系，没有阐明运动电荷受到的洛仑兹力是如何转化为安培力的。
2.电场观点[2]
在磁场中的通电导体，做定向移动的自由电子因受洛仑兹力作用而发生偏转，在导体内产生了霍尔电场，安培力就是所有晶格受到的霍尔电场力的矢量和。
依据：对于图2、3所示的通电导体，所有晶格受到的霍尔电场力的矢量和等于导体受到的安培力，证明从略。
图2
图3
图4
存在问题：此观点缺乏普遍性，仅适用于以上两种特殊情况，对于导体按其他方式在磁场中运动时，此结论不再成立。例如对图4所示情况，导体的运动方向与自由电子定向移动方向相反，速率相等，则导体内没有霍尔电场产生，按电场观点，导体应不受安培力作用，而实际情况是当导体与磁场垂直时，无论导体怎样运动，其所受的安培力都是BIl。由此可见，单纯从霍尔电场的角度是不能阐述安培力产生的微观机制。
3.电磁场观点[3]
通电导体所受的安培力源于霍尔电场和外磁场的共同作用，它等于晶格受到的霍尔电场力和霍尔电场在垂直于导体方向上的合力。
图5
为所有晶格受到的洛仑兹力在垂直于导体方向的分力，故此式说明，通电导体所受的安培力源于霍尔电场和磁场的共同作用，它等于晶格受到的霍尔电场力和霍尔电场在垂直于导体方向上的合力。
对此，文献[4]提出了质疑，认为安培力不是源于电磁场对晶格的作用，而是源于磁场对晶格和自由电子对霍尔电场的共同作用。
4.磁场、自由电子作用观点[4]
导体所受的安培力等于所有晶格受到的洛仑兹力与自由电子对霍尔电场的反作用力的合力。
依据：文献[4]首先运用类比方法说明在阐述安培力的产生机制时，不能以晶格作为研究对象。具体的类比关系是：导体中的晶格类比于站在船上固定位置的人，霍尔电场力类比于人与船间的摩擦力，安培力类比于使船运动的动力。显然人的脚无论用多大的力作用在船板上，也不能使船运动，与此相互作用对应的是导体中的晶格与霍尔电场之间的相互作用，也即霍尔电场力是它们之间的内力，故对安培力没有贡献。
然后以图3所示情况中的晶格和霍尔电场为研究对象，总结出磁场、自由电子作用观点。
存在问题：文献[4]中关于不能以晶格为研究对象来说明安培力产生机制的观点是错误的。
为说明其错误原因，也以人船模型与金属导体进行类比，将图1所示的通电导体类比于图6所示的人船模型，其中人只能沿着图示的固定轨道运动，两者类比关系是：导体中做定向移动的自由电子类比于在固定轨道运动的人，构成导体框架的晶格类比于船，霍尔电场力类比于人与固定轨道之间的弹力，自由电子受到的洛仑兹力类比于岸上的人对船上的人的拉力，晶格受到的洛仑兹力类比于岸上的人对船边缘的拉力。显然，以船为研究对象，正是船上的人对固定轨道的弹力及其边缘受到的拉力在船运动方向的分力使船沿。方向运动。那么按照上面的类比关系，导体所受安培力就应以晶格为研究对象来加以阐述。
图6
通过上面的分析也不难发现，文献[4]中类比错误的原因是：其中的人、船模型与金属导体模型不对应，缺少了与导体中做定向移动的自由电子这一类比项，所以也不能由此得出文献[3]中的准确揭示。那么，能否就由此得出安培力就是源于晶格受到的霍尔电场力与外界磁场的洛仑兹力呢？事实上，文献[3]中的电磁场观点无法解释文献[5]中存在的问题。
二、安培力公式仅适用于弱电流情况吗？
在文献[5]中，类比于电场强度定义式E=F/q指出：磁感应强度定义中的“通电导线”应为“检验电流”（即长度很短，电流很弱的通电直导线），而在电流较强时，定义式B=F/Il就不再成立，也即安培力公式F=BIl仅适用于弱电流情况。
以上结论是由类比方法得出的，具有或然性，事实上，除文献[5]外，还没有文献说明安培力公式仅适用于弱电流情况。但它至少说明了文献[3]中的电磁场观点仍不能清楚阐述安培力产生的微观机制。
三、安培力产生的微观机制
1.安培力产生的微观机制的内容及其说明
通电导体所受的安培力源于霍尔电场和合磁场对晶格的共同作用，它等于晶格受到的霍尔电场力和合磁场的洛仑兹力在垂直于导体方向上的合力。
说明：合磁场为外加磁场与电子做定向移动产生的磁场的矢量和。
2.依据
以图3所示的导体为例，考虑自由电子做定向移动产生磁场
的影响，计算所有晶格受到的洛仑兹力和霍尔电场力的矢量和。
(1)磁场对所有晶格的洛仑兹力矢量和
①自由电子做定向移动所产生磁场的分布
为考查整个导体中因自由电子做定向移动产生的磁场的分布情况，可从下面两个方面进行分析。
A.沿中心轴线做定向移动的自由电子所产生的磁场的分布情况。逆着电流方向看，其产生的磁场的磁感线是以O为圆心的一系列同心圆（见图7），显然，在关于圆心O对称P、Q处，的大小相等、方向相反且垂直于该点与圆心O的连线。
图7
B.与中心轴线共线的一系列柱形薄壁电流微元所产生的磁场的分布情况。在柱形薄壁电流微元的外部，它产生的磁场的分布情况与中心轴线上的电流等效，即在关于圆心O对称P、Q处，的大小相等、方向相反且垂直于该点与圆心O的连线。
柱形薄壁电流微元在其内部的磁场的分布情况：将柱形薄壁电流微元等分成线状的电流微元，则在其内部关于圆心O对称的点P、Q处，磁场的大小相等、方向相反且是指向圆心O（见图8）。
图8
②磁场对所有晶格的洛仑兹力矢量和
由于在关于圆心O对称的P、Q处，磁场等大反向，而P、Q处晶格的运动方向相同，故对P、Q处晶格的洛仑兹力的矢量和等于0；按此方法累加可得：对所有晶格的洛仑兹力矢量和等于0。
(2)霍尔电场对所有晶格作用力的矢量和
①霍尔电场的分布情况
图9
根据以上结果，再结合文献[3]中的电磁场观点，就可以清晰地阐述安培力产生的微观机制。尽管它的表述与文献[3]大致相同，但其中的物理模型不同，不再是匀强电场、磁场对运动电荷的作用，更接近于实际情况，能很好地说明文献[5]中的错误原因。