Question

电磁力的本质

Answer 1

在月球围绕地球公转的过程中，月球不但受到地球万有引力的作用，还受到地球电磁力的作用，（因为地球和月球都有磁场）。地球也受到月球万有引力和电磁力的作用。

地球和月球之间的电磁力比较小，但绝不可忽略。正是因为地球有了磁场，人们才造出了指南针，可以利用磁场指示方向。正是因为地球有了磁场，才屏蔽了太阳发出的千千万万条紫外线，从而保护了地球。正是由于月球、地球都有磁场，并且磁北极的指向大致一致，月球和地球同极相斥，所以月球在万有引力的作用下亿万年来围绕地球公转却没有坠落到地球上。只要月球、地球的其中一个没有磁场，月球终有一天会坠落到地球上。

地球围绕太阳公转，是地球与太阳之间万有引力与电磁力共同作用的结果。虽然地球、太阳的磁场都比较弱，但是却不可或缺。地球与太阳的北磁极的方向大致一致，同极相斥，所以地球围绕太阳公转却不坠落到太阳上。只要地球、太阳其中一个没有磁场，地球就会坠落到太阳上去。

太阳系八大行星包括矮行星冥王星，都有磁场。一旦某个行星没有磁场，它就会坠落到太阳上，不管这个行星的质量有多大，对别的行星产生的万有引力加速度有多大。

人类发射的地球人造卫星在达到使用年限后，本身携带的电池能量耗尽，自身又无法制造新能源，被人类抛弃后，先围绕地球公转，然后与地球的距离越来越近，终有一天坠入地球的大气层烧毁。因为人造卫星没有磁场。

以地球、太阳为例，先把地球、太阳看成两个质点，然后连接这两个质点，形成一条线段。万有引力是宇宙空间中的光子从地球、太阳形成的线段的两侧对地球和太阳进行撞击，让太阳和地球互相靠近。

电磁力和万有引力不同，电磁力来自于星球的内部。

宇宙中的任意一个星球都在由内向外发射着光子。这是一个事实。

月球、地球、其他行星、太阳、陨石、彗星及宇宙中的其他物体都在由内部向外部发射着光子。频率相同并且沿一条直线运动的光子形成光线。也可以说它们都在由内部向外部发射着光线。

因为恒星、行星、陨石、彗星等都是由原子组成的，原子本身就在时时刻刻永不停歇地由内部向外部发射着光子。这是事实。

那么原子中的光子对外发射的原理是什么呢？

原子中存在着大量的光子，原子核中的质子和中子以很高的速度互相绕转，接近光速。（这种绕转是电磁力和万有引力共同作用的结果。）质子与中子在绕转的过程中，会对原子中的光子产生撞击，受到撞击的光子会飞出原子，飞出方向与质子、中子绕转的瞬时方向相同，也与电子围绕原子核公转的瞬时方向相同，即沿原子的切向方向。

飞出原子的光子会对原子外的物体产生撞击，这种撞击力就是电磁力，这就是电磁力的本质。

对于一个星球来说，当有这样许许多多的原子——它们中的质子、中子的绕转方向一致，外部电子的公转方向一致，这些原子发射出的千千万万个光子的运动方向就是一致的（并且都沿星球的切向方向），当这样的原子达到一定数量时，这个星球就会自转，就具有了磁场。这发射出的千千万万个飞行方向一致的光子就会对星球以外的物体发生撞击，这种撞击力，就是星球的电磁力，这就是电磁力的本质。

电磁力的方向是沿星球的切向方向。

此时，如果有一块陨石坠入星球，这块陨石就会受到星球电磁力的作用发生偏转，导致这块陨石的运动方向不能指向星球的中心。

一个星球产生的电磁力的强弱和星球的质量、自转速度有关系。电磁力定律：

“一个有磁场的星球质量越大，自转速度越大，对周围的物体产生的电磁力就越大。星球对物体产生的电磁力与它们之间的距离的平方成反比。

下面来推导星球中的电磁力表达式。

设星球的半径是r（单位：米），直径d=2r（单位：米），自转速度是v（单位：米/秒），星球表面一个石块的质量是m（单位：千克），石块在星球表面以相同的速度v（单位：米/秒）随星球转动。石块距星球中心的距离是s（单位：米），星球的电磁力对石块产生的加速度是a（单位：米/秒^2）

则：星球对石块产生的电磁力是m·a ，对石块做的功等于电磁力乘以星球的半径，即m·a·r，

星球对石块做的功等于石块的动能，石块的动能等于1/2·m·v^2

那么m·a·r = 1/2·m·v^2

a·r = 1/2·v^2

a = v^2/（2r）

a = v^2/d

所以得出了星球表面的电磁力力对物体产生的电磁力加速度等于星球的自转速度的平方除以星球的直径。

星球表面物体的质量乘以星球对物体产生的电磁力加速度，就得到了物体受到的电磁力的大小。

星球对周围物体产生的电磁力遵循平方反比定律。即物体与星球中心的距离变为原来的N倍，则受到的电磁力就变为原来的1/N^2（N的平方分之一）。

星球对周围物体的电磁力可表示为

F（电磁力）= m·v^2/d ·（r^2/s^2）

（m表示周围物体的质量，v表示星球的自转速度，d表示星球的直径，r表示星球的半径，s表示物体与星球之间的距离）

接下来探讨两个有磁场的星球之间的电磁力。

甲、乙两个有磁场的星球，磁北极的方向相同，甲星球质量是m1，半径是r1，直径是d1，自转速度是v1，乙星球质量是m2，半径是r2，直径是d2，自转速度是v2，甲、乙两星球之间的距离是s 。由于甲、乙两星球北磁极方向一致，则两星球之间产生排斥作用，（形象地说，甲星球沿自身自转方向推乙星球，乙星球沿自身自转方向推甲星球，就像甲乙两人对向站立，甲用右手把乙推向自己的左侧，乙用右手把甲推向自己的左侧，两个推的方向正好相反。）“甲星球受到的电磁力”等于“乙星球对甲星球产生的电磁力加上甲星球对乙星球产生电磁力时受到的反作用力”。所以甲星球受到的电磁力是：

F（电磁力）=

m1·（v2^2）/d2 ·（r2^2/s^2）+

m2·（v1^2）/d1 ·（r1^2/s^2）

乙星球受到的电磁力等于甲星球受到的电磁力，表达式同上。

若甲、乙两个有磁场的星球，北磁极的方向相反，则甲、乙两个星球在外部万有引力的作用下会互相吸引，但是现在不考虑万有引力，只考虑电磁力。这是的甲、乙两星球的情况，，就像甲乙两人对向站立，甲用右手把乙向自己左侧推，乙用左手把加甲推向自己的右侧，（两人推的方向一致。）此时“甲星球受到的电磁力”等于“乙星球对甲星球产生的电磁力减去甲星球对乙星球产生电磁力时受到的反作用力”。

表达式：F（甲受到的电磁力）=

m1·（v2^2）/d2 ·（r2^2/s^2）－m2·（v1^2）/d1 ·（r1^2/s^2）

“乙星球受到的电磁力”等于“甲星球对乙星球产生的电磁力减去乙星球对甲星球产生电磁力时受到的反作用力”。

F（乙星球受到的电磁力）=

m2·（v1^2）/d1 ·（r1^2/s^2）－m1·（v2^2）/d2 ·（r2^2/s^2）

对于原子（或电子或原子核）来说，

原子（或电子或原子核）的质量越大，原子（或电子或原子核）的自转速度越大，则原子（或电子或原子核）对周围物体产生的电磁力越大。原子（或电子或原子核）对物体产生的电磁力与两者之间的距离的平方成反比，即遵循平方反比定律。

由于原子或电子或原子核的自转速度很难测量，因为要单纯地求出原子对周围物体产生的电磁力或者电子与原子核之间的电磁力非常困难。

本质上，电子围绕原子核公转，是电子与原子核间万有引力和电磁力共同作用的结果，用向心力公式计算出的电子围绕原子核公转受到的向心力，是万有引力与电磁力的合力。要想单纯地求出电子受到的电磁力非常困难。

探讨一下两个带电的小球之间的作用力。

如果两个小球带同种电荷，则互相排斥，如果带异种电荷，则互相吸引。这种互相排斥或吸引都是电磁力和万有引力共同作用的结果。这种互相排斥或吸引的力成为库伦力或静电力，库伦力或静电力是电磁力和万有引力的合力。

第一种情形：

形象地说，甲乙两个带电小球对面站立，两小球带同种电荷，甲产生的电磁力会把乙向自己的左侧推，同时万有引力会把乙向甲所在的方向推，此时，乙受到的电磁力和万有引力的合力方向并不指向甲。同理，甲受到的电磁力和万有引力的合力方向也并不指向乙。

第二种情形：

形象地说，甲乙两个带电小球对面站立，假设两者质量相同，带异种电荷。当带的电荷量相等的时候，甲对乙产生电磁力而受到的反作用力等于乙对甲产生的电磁力，所以甲小球受力达到平衡状态，受到的电磁力之和为0，保持原有状态不动。这时万有引力会把甲小球向乙所在的方向推。所以甲小球受到的电磁力与万有引力的合力方向指向乙小球。

同理，乙小球受到的电磁力与万有引力的合力方向指向甲小球。

第三种情形：

当甲乙两个小球带异种电荷且电荷量不同的时候，甲对乙产生电磁力而受到的反作用力不等于乙对甲产生的电磁力，甲受到的电磁力就不为0，同时万有引力把甲小球推向乙，所以甲小球受到的电磁力与万有引力的合力方向不指向乙小球。

同理，乙小球受到的电磁力与万有引力的合力方向不指向甲小球。”

所以，两个带电小球之间的静电力，带同种电荷互相排斥的时候，无论哪个小球受到的静电力都不在两个小球的连线上。

带异种电荷互相吸引的时候，只有两个小球受到的电磁力与反作用力达到平衡状态（如两小球质量相同，带电量相同），两个小球受到的静电力都在它们之间的连线上。如果，两个小球受到的电磁力与反作用力不平衡，则两个小球受到的静电力都不在它们之间的连线上。

单纯地求两个带电小球之间的电磁力非常困难。