STEM 隨筆︰古典力學︰轉子【五】《電路學》 五【電感】 I

易經《說卦傳》上《第十一章》講『震為雷為龍』,『』又是『』意思,所謂『帝出乎震』是說『春雷』振奮大地,也許正是張衡在候風地動儀上用『龍吐丸』的原因。據聞《南瞻部洲志》載

日有踆烏,月有蟾蜍。羿請不死之藥於西王母,嫦娥竊之以奔月。蟾蜍本乃嫦娥之茶寵,食余茶而化為仙獸,亦得仙奔月,是為魄 。初,月魄为三足,然其日食靈 芝,夜食月桂,歷三千年而修成四足 。后有吳剛者,為帝懲治而伐桂,斧起,樹創而瞬時癒之,歷八十一天始落一枝,月魄不勝其煩,遂銜桂枝而下界,有緣者可得其侍奉,謂之折桂也。

不知是否是因為『震位東方』而『兌在西方』為『』,所以才用『月魄蟾蜍』銜之。加之以篆文與鳥獸之形,儼然是個『神器』。

都

機

關

俗話說︰時過境遷。這個『時境原則』在閱讀『歷史』的文獻時非常重要。人們很容易不自覺的把『字詞』的『此時』意義強加於『彼時』,以至於發生了『誤讀』現象。

范曄文中之『中有柱,傍行八道,施』是講候風地動儀的內部構造,故為『要點』。『』字的造字本義是『有關卡城門把守的大城市』。『』字是指『將門閂插進左右兩栓孔,緊閉大門』。『』字是『事物發生的樞紐』。

在此我們將范曄之文,與『測知地震』有關的整理如下︰

一、『精銅鑄成,員徑八尺』,漢代一尺約現今 23.09 公分,可知直徑八尺的『酒尊』,真是『又大又重』。

二、『外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之』,平日沒地震時『銅丸』銜於『龍首』。

三、『其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周密無際。』,『密封的』很好,『牙巧』之『機制』隱於其中。

四、『如有地動,尊則振龍機發吐丸,而蟾蜍銜之。』,遇到地震時,『尊則振』同時『龍機發吐丸』,而且『蟾蜍銜之』。也就是說,地震會讓『』振動,且觸發了『牙機巧制』。

─── 《【SONIC Π】聲波之傳播原理︰拾遺篇《一》候風地動儀‧上

 

若無那事,又無那文

南朝劉宋時范曄所著《後漢書‧卷五十九‧張衡列傳第四十九》裡之『一百九十六』個字︰

陽嘉元年,夏造候風地動儀。以精銅鑄成,員徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱,傍行八道,施關發機。外有八龍,首銜銅丸,下有蟾 蜍,張口承之。其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周密無際。如有地動,尊則振龍機發吐丸,而蟾蜍銜之。振聲激揚,伺者因此覺知。雖一龍發機,而七首不動,尋其 方面,乃知震之所在。驗之以事,合契若神。自書典所記,未之有也。嘗一龍機發而地不覺動,京師學者咸怪其無征,後數日驛至,果地震隴西,於是皆服其妙。自 此以後,乃令史官記地動所從方起 。

 

空有註釋,還原恐無望矣。

也許剛過『血月‧火星衝』之時,恰好談到

電感

電感Inductance)是閉合迴路的一種屬性,即當通過閉合迴路的電流改變時,會出現電動勢來抵抗電流的改變。如果這種現象出現在自身迴路中,那麼這種電感稱為自感self-inductance),是閉合迴路自己本身的屬性。假設一個閉合迴路的電流改變,由於感應作用在另外一個閉合迴路中產生電動勢,這種電感稱為互感mutual inductance)。電感以方程式表達為

\displaystyle {\mathcal {E}}=-L{\mathrm {d} i \over \mathrm {d} t} 

其中, \displaystyle {\mathcal {E}} 是電動勢, \displaystyle L 是電感, \displaystyle i 是電流, \displaystyle t 是時間。

術語「電感」是1886年由奧利弗·赫維賽德命名[1]。通常自感是以字母「L」標記,這可能是為了紀念物理學家海因里希·冷次的貢獻[2][3]。互感是以字母「M」標記,是其英文(Mutual Inductance)的第一個字母。採用國際單位制,電感的單位是亨利henry),標記為「H」,是因美國科學家約瑟·亨利命名。1 H = 1 Wb/A

電感器是專門用在電路裏實現電感的電路元件螺線管是一種簡單的電感器,指的是多重捲繞的導線(稱為「線圈」),內部可以是空心的,或者有一個金屬芯。螺線管的電感是自感。變壓器是兩個耦合的線圈形成的電感器,由於具有互感屬性,是一種基本磁路元件。在電路圖中電感的電路符號多半以L開頭,例如,L01、L02、L100、L201等。

概述

應用馬克士威方程組,可以計算出電感。很多重要案例,經過簡化程序後,可以被解析。當涉及高頻率電流和伴隨的集膚效應,經過解析拉普拉斯方程式,可以得到面電流密度磁場。假設導體是纖細導線,自感仍舊跟導線半徑、內部電流分布有關。假若導線半徑超小於其它長度尺寸,則這電流分布可以近似為常數(在導線的表面或體積內部)。

自感

流動於閉合迴路的含時電流所產生的含時磁通量,會促使閉合迴路本身出現感應電動勢。

如上圖所示,流動於閉合迴路的含時電流 \displaystyle i(t) 所產生的含時磁通量 \displaystyle \Phi (i) ,根據法拉第電磁感應定律,會促使閉合迴路本身出現感應電動勢 \displaystyle {\mathcal {E}} :

\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{\mathrm {d} \Phi } \over \mathrm {d} t}=-N{{\mathrm {d} \Phi } \over \mathrm {d} i}\ {\mathrm {d} i \over \mathrm {d} t} 

其中, \displaystyle N 是閉合迴路的捲繞匝數。

設定電感 \displaystyle L 為

\displaystyle L=N{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} i}} 

則感應電動勢與含時電流之間的關係為

\displaystyle {\mathcal {E}}=-L{\mathrm {d} i \over \mathrm {d} t} 

由此可知,一個典型的電感元件中,在其幾何與物理特性都固定的狀況下,產生的電壓 \displaystyle v 為:

\displaystyle v=L{{\mathrm {d} i} \over \mathrm {d} t} 

電感的作用是抵抗電流的變化,但是這種作用與電阻阻礙電流的流動是有區別的。電阻阻礙電流的流動的特徵是消耗電能,而電感則純粹是抵抗電流的變化。當電流增加時電感抵抗電流的增加;當電流減小時電感抵抗電流的減小。電感抵抗電流變化的過程並不消耗電能,當電流增加時它會將能量磁場的形式暫時儲存起來,等到電流減小時它又會將磁場的能量釋放出來,其效應就是抵抗電流的變化。

互感

圖上方,閉合迴路 1 的含時電流 \displaystyle i_{1}(t) 所產生的含時磁通量,會促使閉合迴路 2 出現感應電動勢 \displaystyle {\mathcal {E}}_{2} 。圖下方,閉合迴路 2 的含時電流 \displaystyle i_{2}(t) 所產生的含時磁通量,會促使閉合迴路1出現感應電動勢 \displaystyle {\mathcal {E}}_{1} 。

如右圖所示,流動於閉合迴路 1 的含時電流 \displaystyle i_{1}(t) ,會產生磁通量 \displaystyle \Phi _{2}(t) 穿過閉合迴路 2 ,促使閉合迴路 2 出現感應電動勢 \displaystyle {\mathcal {E}}_{2} 。穿過閉合迴路2的磁通量和流動於閉合迴路1的含時電流,有線性關係,稱為互感  \displaystyle M_{21} ,以方程式表達為。

\displaystyle \Phi _{2}=M_{21}i_{1} 

計算互感,可使用紐曼公式Neumann formula):

  • \displaystyle M_{21}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\oint _{\mathbb {C} _{1}}\oint _{\mathbb {C} _{2}}{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}_{1}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}_{2}}{|\mathbf {X} _{2}-\mathbf {X} _{1}|}}

其中, \displaystyle \mu _{0} 是磁常數\displaystyle \mathbb {C} _{1} 是閉合迴路 1 , \displaystyle \mathbb {C} _{2} 是閉合迴路 2 , \displaystyle \mathbf {X} _{1} 是微小線元素 \displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}_{1} 的位置, \displaystyle \mathbf {X} _{2} 是微小線元素 \displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}_{2} 的位置。

由此公式可見,兩個線圈之間互感相同: \displaystyle M_{12}=M_{21} ,且互感是由兩個線圈的形狀、尺寸和相對位置而確定。

心緒為之『震動』,不知那『Magnetic monopole』找到了沒?誰人折桂乎??

磁單極子

絕對無法從磁棒製備出磁單極子。假設將磁棒一切為二,則不會發生一半是指北極,另一半是指南極的狀況,而會是切開的每一個部分都有其自己的指北極與指南極。

理論物理學中,磁單極子是假設的僅帶有北極或南極的單一磁極的基本粒子(類似於只帶負電荷的電子),它們的磁感線分布類似於點電荷的電場線分布。更專業地說,這種粒子是一種帶有一個單位「磁荷」(類比於電荷)的粒子。科學界之所以對磁單極子如此感興趣,是因為磁單極子在粒子物理學當中的重要性,尚未被實驗證實的大一統理論超弦理論都預測了它的存在。這種物質的存在性在科學界時有紛爭,截至2018年,尚未發現以基本粒子形式存在的磁單極子。可以說是21世紀物理學界重要的研究主題之一。一般觀測到的磁雙極可能是由兩個相反方向且非常難分割的磁單極子組成 。[來源請求]

按照目前已被證實的物理學理論,磁現象是由運動電荷產生的,尚未證實磁單極子的存在。

非孤立的磁單極准粒子確實存在於某些凝聚體物質系統中,人工磁單極子已經被德國的一組研究者成功地製造出來。[1]但它們並非假設的基本粒子。

歷史

1269年,彼德勒斯·佩雷格林納斯在一封書信裏提到,磁石必會有兩極,「南極」與「北極」。[2]19世紀早期,安德烈-馬里·安培將這論述提升為假說[3]:19

目前的庫侖定律只是針對電的定律,實際上當時,查爾斯·庫侖也提出了磁的庫侖定律,認為,兩個磁荷間受到的力,與磁荷所帶磁的大小成正比,與兩個磁荷間的距離的平方成反比。但是,後來,隨著安培定律等的發現,人們逐漸意識到,磁現象是由運動電荷產生的,沒有獨立的磁荷,因此,磁的庫侖定律就被拋棄了。[來源請求]

英國物理學家保羅·狄拉克在1931年給出磁荷的量子理論。[4]他的論文闡明,假若在宇宙裏有任何磁荷存在,則所有在宇宙裏的電荷量必須量子化。這條件稱為「狄拉克量子化條件」。物理學者做實驗發現,電荷量的基本單位為基本電荷,這事實與磁單極子的存在相符合,但並未證實磁單極子的存在。[5]:362

自此之後,許多物理學家開始了尋找磁單極子的工作。通過種種方式尋找磁單極子包括使用粒子加速器人工製造磁單極子均無收穫。1975年,美國的科學家利用高空氣球來探測地球大氣層外的宇宙輻射時偶然發現了一條軌跡,當時科學家們分析認為這條軌跡便是磁單極子所留下的軌跡。1982年2月14日,在美國史丹福大學物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣稱他利用超導線圈發現了磁單極子,然而事後他在重複他先前的實驗時卻未得到先前探測到的磁單極子,最終未能證實磁單極子的存在。內森·塞伯格Nathan Seiberg)和愛德華·維騰兩位美國物理學家於1994年首次證明出磁單極子存在理論上的可能性。

概念

如果將帶有磁性的金屬棒截斷為二,新得到的兩根磁棒則會「自動地」產生新的磁場,重新編排磁場的北極、南極,原先的北極南極兩極在截斷磁棒後會轉換成四極各磁棒一南一北。如果繼續截下去 ,磁場也同時會繼續改變磁場的分布,每段磁棒總是會有相應的南北兩極。不少科學家因此認為磁極在宇宙中總是南北兩極互補分離 ,成對的出現,對磁單極子的存在質疑。也有理論認為,磁單極子不是以基本粒子的形式存在,而是以自旋冰(spin ice)等奇異的凝聚體物質系統中的出射粒子的形式存在[6]

馬克士威方程組

馬克士威的電磁學方程組將電場、磁場及電荷的運動聯繫在了一起 。標準的馬克士威方程式中只描述了電荷,而假定不存在「磁荷」 。除了這一點不同以外,馬克士威方程式在電場和磁場的互換中具有對稱性。事實上,如果假定所有的電荷都為零(應此電流也為零 ),則可以寫出具有完全對稱性的馬克士威方程式,這實際上就是得出電磁波方程式的方法。

當然,還有另一種方法來寫出具有完全對稱性的馬克士威方程組,那就是允許與電荷相似的「磁荷」的存在。這樣方程組中就會出現「磁荷密度」ρm這個變量,於是方程組中也就又會出現「磁流密度 」jm這個變量。

但如果磁荷實際上不存在,或者它不再宇宙中任何地方出現,那麼方程組中的這些新變量就都為0,那麼延伸後的馬克士威方程組就自然退化為通常的電磁學方程組,∇⋅B = 0(這裡∇⋅代表散度,而BB)。

左圖:靜電荷和靜磁荷所產生的場。右圖:速度v運動時,電荷激起B場,而磁荷激起E場。帶荷粒子移動的方向即是電流和磁流的方向。

右圖:電偶極矩d的電雙級的E場。左下圖:數學上由兩個磁單極子組成的磁偶極矩m磁偶極所產生的B場。右下圖:存在於真實物質之中的自然的磁偶極矩m的磁偶極(不由磁單極子組成)所產生的B場。

 

還是它果真由不可思議的『電子』這樣的『點粒子 Spin 』所緣生的耶? ?!!

自旋

量子力學中,自旋英語:Spin)是粒子所具有的內稟性質,其運算規則類似於古典力學角動量,並因此產生一個磁場。雖然有時會與古典力學中的自轉(例如行星公轉時同時進行的自轉)相類比,但實際上本質是迥異的。古典概念中的自轉,是物體對於其質心旋轉,比如地球每日的自轉是順著一個通過地心的極軸所作的轉動。

首先對基本粒子提出自轉與相應角動量概念的是 1925 年由拉爾夫·克羅尼希喬治·烏倫貝克山繆·古德斯密特三人所開創。他們在處理電子的磁場理論時,把電子想像為一個帶電的球體,自轉因而產生磁場。後來在量子力學中,透過理論以及實驗驗證發現基本粒子可視為是不可分割的點粒子,所以物體自轉無法直接套用到自旋角動量上來,因此僅能將自旋視為一種內稟性質,為粒子與生俱來帶有的一種角動量,並且其量值是量子化的,無法被改變(但自旋角動量的指向可以透過操作來改變)。

自旋對原子尺度的系統格外重要,諸如單一原子質子電子甚至是光子,都帶有正半奇數(1/2、3/2等等)或含零正整數(0、1、2)的自旋;半整數自旋的粒子被稱為費米子(如電子),整數的則稱為玻色子(如光子)。複合粒子也帶有自旋,其由組成粒子(可能是基本粒子)之自旋透過加法所得;例如質子的自旋可以從夸克自旋得到。

概論

自旋角動量是系統的一個可觀測量,它在空間中的三個分量和軌道角動量一樣滿足相同的對易關係。每個粒子都具有特有的自旋。粒子自旋角動量遵從角動量的普遍規律,p=[J(J+1)]0.5h,此為自旋角動量量子數 ,J = 0,1 / 2,1,3/2,……。自旋為半奇數的粒子稱為費米子,服從費米-狄拉克統計;自旋為0或整數的粒子稱為玻色子,服從玻色-愛因斯坦統計。複合粒子的自旋是其內部各組成部分之間相對軌道角動量和各組成部分自旋的向量和,即按量子力學中角動量相加法則求和。已發現的粒子中,自旋為整數的,最大自旋為4;自旋為半奇數的,最大自旋為3/2。

自旋是微觀粒子的一種性質,沒有古典對應,是一種全新的內稟自由度。自旋為半奇數的物質粒子服從包立不相容原理

發展史

自旋的發現,首先出現在鹼金屬元素的發射光譜課題中。於1924年,包立首先引入他稱為是「雙值量子自由度」(two-valued quantum degree of freedom),與最外殼層的電子有關。這使他可以形式化地表述包立不相容原理,即沒有兩個電子可以在同一時間共享相同的量子態

包立的「自由度」的物理解釋最初是未知的。遶夫·克勒尼希朗德的一位助手,於1925年初提出它是由電子的自轉產生的。當包立聽到這個想法時,他予以嚴厲的批駁,他指出為了產生足夠的角動量 ,電子的假想表面必須以超過光速運動。這將違反相對論。很大程度上由於包立的批評,克勒尼希決定不發表他的想法。

當年秋天,兩個年輕的荷蘭物理學家產生了同樣的想法,它們是烏倫貝克撒穆爾·古德施密特。在保羅·埃倫費斯特的建議下,他們以一個小篇幅發表了他們的結果。它得到了正面的反應,特別是在雷沃林·托馬斯消除了實驗結果與烏倫貝克和古德施密特的(以及克勒尼希未發表的)計算之間的兩個矛盾的係數之後。這個矛盾是由於電子指向的切向結構必須納入計算,附加到它的位置上;以數學語言來說,需要一個纖維叢描述。切向叢效應是相加性的和相對論性的(比如在c趨近於無限時它消失了);在沒有考慮切向空間朝向時其值只有一半,而且符號相反。因此這個複合效應與後來的相差了一個係數2(參見:湯瑪斯進動)。

儘管他最初反對這個想法,包立還是在1927年形式化了自旋理論,運用了埃爾文·薛丁格沃納·海森堡發現的現代量子力學理論。他開拓性地使用包立矩陣作為一個自旋算子的群表述,並且引入了一個二元旋量波函數。

包立的自旋理論是非相對論性的。然而,在1928年,保羅·狄拉克發表了狄拉克方程式,描述了相對論性的電子。在狄拉克方程式中,一個四元旋量(所謂的「狄拉克旋量」)被用於電子波函數。在1940年,包立證明了「自旋統計定理」,它表述了費米子具有半整數自旋,玻色子具有整數自旋。