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21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第章

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  1984年4月8日,《电子报》在第14期第2版上向读者推荐转载了两篇轰动性的文章〃电磁动能发动机发明的新动向〃(原载《世界发明》84年第1期)与〃不需要外加能源的永磁铁发动机〃(原载《世界发明》80年第1期)。对于这两篇被《电子报》的编辑赵石云先生认为〃很有点永动机味道〃的文章,赵石云并不打算对其进行争论,而只是希望它能够引起业余电子爱好者的兴趣并动手做此实验。对于《电子报》的良好愿望,我们完全赞同。但是,如果《电子报》推荐给读者创作的素材根本就是不能成功的永动机,其结果又会是什么呢?果然,就在《电子报》转载了这两篇轰动性文章之后,社会上引起了强烈反响。遗憾的是,许多参与讨论的大学教师与机械工程师对〃磁能发动机〃的批驳无力,不但未能熄灭由《电子报》点燃的〃永动机创作〃火苗,反而是使《电子报》的某些编辑尝到了〃甜头〃。于是胆子变得越来越大,继转载了这两篇〃轰动机〃文章后,《电子报》又在1984年的第23期、第27期、第30期、第34期上陆续刊登了5篇有关〃永动机创作〃的文章,大有拿其无可奈何的味道!面对这一挑战,我们这些从事科研工作的人员有必要站出来应战。
  一、判别永动机的依据是它违反了能量守衡定律
  判断一个机构是不是永动机,最根本的依据是看这个机构的运动是不是违反了能量守衡定律,而其具体的结构完全不必去管它。凡是企图凭空创造出能量来的机器就是永动机。换句话说,〃永动机〃的准确名称应该是〃凭空造能机〃。
  因此,我们只要立足于能量守衡定律就可以作出推断:无论〃磁能发动机〃做得多么巧妙,它也不能够凭空产生出能量来。磁能与其它形式能量的相互转化过程,只不过是起着储能、放能的作用。采用很巧妙的设计方案,可以使磁能转化为其它能量形式时的效率高一些,但也不过是一种优良的〃能量转换器〃。即便如此,我们也必须全面的对它进行分析后才能作出取舍的结论。显然,从开采磁矿到制造成所要求的形状尺寸,并安装成所谓的〃磁能发动机〃(相当于生产干电池的过程)所付出的代价已大大超过了其被使用一遍(即天然磁体所贮藏的磁能全部被转换为电能)所获得的价值量。天然磁体贮藏的磁能被转换完毕后,人们必须对磁能存贮体进行充磁(相当于给畜电池充电),否则就只好掉换〃磁能发动机〃中已被消磁的磁能存贮体了。同已有的各种电池相比,这种新型的〃磁动机电池〃无疑是一个结构复杂、制作困难的没有实用价值的玩意,人们大可不必为它浪费精力。
  《电子报》在1984年7月29日第30期第2版刊登了一篇题为〃我对'磁能发动机'的问题谈点看法〃的文章。该文作者曹先生介绍了自己在听取天津大学的教师对〃磁能发动机〃的看法和意见后所做的几个实验,他发现实验中出现了一些理论上无法解释,甚至是与理论相违背的现象。由于曹先生没有告诉他所请教的天津大学的教师是谁,我们也就无法同这些〃专业人士〃进行商榷。但是,我们必须告诉大家,曹先生在所做实验中看到的现象都不是什么奇迹。
  首先,在曹先生所做的斥、吸力大小比较实验中,我们从其画出的示意图上明显看出砝码距磁铁太近,砝码与磁铁间的作用对实验结果有影响。其次是放在支点上的磁铁本身必须进行严格平衡,如果磁铁的重心不在支点上,磁铁稍有一些倾斜就会使测得的数据出现较大的差错。因此,必必须对这个实验方式进行修改。最简便可靠的方式是取两根长条形的磁铁来做这个实验:
  把一根磁铁的一端用一根长线吊在一只弹簧秤钩上,注意使弹簧秤与磁铁间的距离大于磁铁长度的10倍,将弹簧秤上端挂在支架上,记下弹簧秤上指示的刻度值,并以它作为相对零位。然后把另一根磁铁拿到吊着的磁铁下方,在两根磁铁处于同一条铅直线上的条件下,分别使两相对磁极间的磁力成为斥力与吸力。在两相对磁极间距离相同的情况下,从弹簧秤上读出斥力与吸力的测量值进行比较,即可得知在相同的相对空间位置情况下斥、吸力是否一样大小。
  一般的说,斥力与吸力并没有大小必须相等的性质。没有哪一本《静磁学》的书上写有〃斥力与吸力相等〃的定理或特性!斥力与吸力之间的关系和牛顿第三定律不是一回事。人们必须知道磁力计算公式F = Km1m2 /r2 是在两个〃点磁极〃的理想状态下才是准确的。当磁极的大小不可忽略时,两磁极间的磁力应是各〃磁单元〃间的磁力之重积分。应该搞清楚,教科书上出的磁力计算题都给有如下几个附加条件:
  1。 磁极的大小与同一磁体上两个异性磁极间的距离相比可以忽略不计,这样的磁体也冠以〃磁针〃的名称;
  2。 两个磁体间的距离又要比两个磁体本身的长度要大得多(一般10倍以上),这样方可作为〃点磁极〃对等;
  3。 磁体本身的磁极强度不因磁体间的相对位置发生变化而发生改变,这是人们常常忽视的假定条件。
  在符合这三个条件的要求下,用磁力计算公式计算得到的结果才比较接近实际情况。显然,曹先生忘记了上述的条件,错误的把理想状态的情况硬搬到了实际情况中。尤其是实际磁体的磁极并不是强度不会变化的〃理想磁极〃,在作吸力与斥力检测实验时,磁体本身具有的磁性实际上已经在发生着变化。两个异性磁极靠近时,磁性较强者会使磁性较弱者进一步被磁化,于是吸力增加;而两个同性磁极靠近时,磁性较强者会使磁性较弱者退磁而使斥力减小,甚至还会发生磁性翻转反向磁化使斥力变为吸力。一个磁体的磁性保持状况如何,与该磁体本身材料特性有关。矫顽力较大者需要较大的反向磁力才能使之发生磁性翻转反向磁化;而矫顽力较小者,在外界反向磁力不是很大时就能使它的磁性明显减弱,甚至发生磁性翻转反向磁化。在外界磁力消除后它如果还能恢复原来的磁性方向,原方向的磁性也将明显减弱。故此在存放磁体时应保持磁路连通,以防止磁体的磁性减弱。
  当然,曹先生并不是吃〃磁力学饭〃的人,我们也就无须对他提出过高的要求。但是,曹先生发表的〃如果吸、斥力相等其合力为零,转子则不能前进。只是在吸、斥力不等的情况下,转子才能不断地前进。〃确是一个不能容忍的谬论。不难想到,吸力大于斥力,拉近是容易了,但分开也就困难了。如果只看得到拉近很容易,就断言转子能够不断地前进,那就显然是在〃做梦办喜事 ── 尽往好处想了!〃
  二、请勿在磁能上动花脑筋
  由于参与〃永动机〃问题讨论的大学教师和机械工程师对〃磁能〃避而不谈,或语焉不详(《电子报》在第23期第2版上就〃磁能发动机〃问题致读者的原语),不但未能说服〃磁动机〃拥护者放弃幻想,反而是使一些人对〃磁动机〃更加坚定了成功的信心。1984年7月8日,赵石云在《电子报》第27期第2版上向读者推荐转载另一篇磁动机文章〃脉冲电磁动能发动机 ── 一种新型发电系统〃(原载《世界发明》5/1984年7卷第5期)时,就大胆的发出了预言:〃磁能运动机〃有可能成功。而另一位〃磁动机〃的热心者毛青云先生在1984年8月26日出版的《电子报》第34期第2版上以〃磁能运动机实验目击记〃为题,发表了自己对〃磁动机〃能否成功的见解:
  〃关键是磁能是不是一种特殊能。如果实验证明永磁体只不过是一种一般的储能器(而且这个能量是很微小的),那么'磁能发动机'便永远是空想!请注意,关于永磁体的储能特性,恐怕不是教科书上那几个公式可以说清楚的。〃
  由此看来,不澄清人们对磁能的模糊认识,〃磁动机〃的热心者们是不会善罢甘休的。
  磁能,乃是物质能量的一种呈现形式。它同样可以与其它存在形式的能量在遵守能量守衡定律的前提下进行相互转化,并不是一种可以凭空增加能量的特殊能。当然,磁能与其它形式的能进行相互转达化时也有一定的转化条件。在通常的大多数情况下,天然的磁能携带者磁体是不释放出磁能的。确切地说,磁体在末受到外磁力的强烈作用时具有相对稳定地保存着所存贮磁能的特点,自然磁能的释放速率很小,以至于往往被人们所忽略。当磁体发生磁性突然消失,或是磁性翻转反向磁化现象时,磁能与其它形式的能量之间就进行了明显的能量转换。由于小块的天然磁体所具有的磁能都很小,在发生磁能转化为其它形式的能量现象时一般都不会对周围的环境产生明显的影响,从而使得许多人已经看到了磁能转化现象但却没有引起他们的注意。
  那么在一般情况下,磁力作功是什么形式的能量之间进行的转换呢?必须弄清楚,这是磁场势能在作功。磁场势能也属于磁能,但与磁体具有的〃磁能〃不一样,本文中未加注明的〃磁能〃均不指磁场势能。磁场势能转换成别的形式的能量。当磁场状态发生改变时,磁场势能也同步发生改变。譬如我们将两块磁体按相反的磁性方向强行地靠拢在一起,就要克服磁力作功,所作的功就转化成磁场所获得的磁场势能。放开手后,两磁体将在磁力的作用下分开,磁力作功使磁场释放出磁场势能。需要明白的是,磁场势能是磁场与磁场之间的作用所形成的能量存贮形式,并不是一种新的能量。这与静电场的情况相似:电荷的〃产生〃为电能,以电场的形式进行呈现;而电荷间的排斥、吸引所形成的电场间的作用又形成了电场势能。不过〃磁能〃的产生与电能的产生情况不一样。磁体总是以两个不同极性的磁极成对的同时出现,并不能单独的出现一个磁极。电荷虽然在中性物体上产生时也是正、负电荷相等的同时
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