流体力学统一电学基础

流体力学揭露电学基础   摘要：对电学基础理论，公式，本质进行了研究关键词：电压，电流，电阻，欧姆定律，总功率公式，焦耳定律Basics of electricity1         引言 一切的物理大厦都是建立在基础之上的，所以科学的最重要的部分就是基础，现代物理学已经发展得非常完备了，然而想要有创造性，就必须重视基础的研究，在基础上扎实，才能有新的突破。很多人却不了解电学的本质，本次就把电学本质讲清楚。2         电压，电流，电阻的本质 在电学中我们常常用到电压，电流，电阻，电流很好理解，就是电子的向定向移动，就像我们看到的水流一样，只不过电子是在导线中流动，有些类似于水在水管中流动，本质一样，然而什么是电压和电阻呢？书上说电压是电势差，可是这个解释不够具体形象，我们知道，力是使物体运动的原因，电子既然定向移动，那就是电压给它的动力，所以的电压就是力，而且是对微观电子的力，它的本质是对电子的压强，因为发电机发电原理就是用洛伦兹力产生电压，而洛伦兹力是每个在磁场中的电荷都受到的，所以不管导线横截面积有多大，压强都是定值，也就是电压是定值，而电子有了动力，又有闭合回路，如果没有阻力那不就速度越来越快，变得无限大吗，当然不可能，电流也会产生流体阻力，和流体力学是互通的，而电阻就是反映阻力的一个相关属性。2.1             欧姆定律的本质 (1)我们知道电流是流体，产生的阻力也就是流体阻力，并且不会有类似于前后大气压差的阻力，因为电子的初始状态可以认为是自由不受力状态，所以只需要计算流体碰撞阻力。有电流之后，电子可以认为相对于导线无穷小，是匀速直线运动，所以二力平衡，所以阻力和电压一样大，然而这样就没什么意义了，为了反映普遍规律，选取的电阻R就不一样。而流体的阻力要么是速度的一次方，要么是二次方，既然都是流体阻力，那么初始的模型一样，所用到的数学推导过程也一样，那么必然阻力也是电流I的一次或二次方，所以流体力学回答了电的阻力能用数学初等函数形式表达，而且不是复合函数，就是正比例函数或者最简单的二次函数，而电子的阻力系数不好测，太微观了，所以其实也不用测，欧姆后面做实验测出是正比例函数，那么欧姆定律就必定不会错，一定是准确的。其实我们知道电子流速非常非常的慢，而宏观中流体速度太慢，不产生涡旋，阻力也是一次，这说明是统一的。而对于确定的导体，它的长度，横截面积，密度，本身属性等等都是固定的，全部可以用R来统一概括，而变量只有相当于速度的I，所以欧姆定律就完全解析了，灵魂是流体力学，流体力学不抽象，而且模型和推导过程是数学，无比准确和清晰，这样就把欧姆定律化为非常具体形象的事物了，而电阻R，其实是一个系数罢了，RI才是阻力大小，U=RI 的原因是二力平衡。2.2             总功率公式的本质 (2)我们知道了电压是相当于力，电流是相当于速度，那么电功率公式其实就相当于 (3)在宏观上我们知道，FV就是功率，所以UI也就是功率，可见微观和宏观的公式是统一的，这样等效原理没错，不过其中有一个细节，那就是电压是F/S，而电流是SV,其实他们中间还约去了一个面积S，不过都无所谓了。2.3             焦耳定律的本质以及欧姆定律的失效 (4)说到焦耳定律其实也很好证明，RI是阻力F,RI^2就是FV，也就是克服阻力做的功，所以发热功率就是P=RI^2，而为什么电动机不能用欧姆定律呢？                     图1    我们可以根据运动的电荷在磁场中受洛伦兹力，结合电动机运动与线圈运动的相对性用左手定则推出洛伦兹力于电压的力相反（不用推，我也知道一定相反），可以把洛伦兹力正交分解为水平力F2和竖直力F3，那么水平方向上的力是电压的力等于F1=F2+F5,   F5表示流体阻力，我们知道热的本质是微观粒子的无规则运动，F2只要一产生就和可以和电压F1直接合成，相当于没有时间上的作用，没有改变速度，随机的空间碰撞就不会发生流体之外的混乱度改变，熵不变，所以发热不变。那有的人会说竖直方向的分力F3不是必然改变熵吗?竖直方向一旦改变熵，就不遵循欧姆定律了，所以发热功率也不是焦耳定律，而是全新定律。其实，还是焦耳定律，因为洛伦兹力太小了，和电荷的电场力相差至少10个数量级以上还不止，电子移动速度大概也就是10的负6次方，而库仑力的k想想有多大，再想想万有引力常数G有多大？所以，虽然电压力，流体阻力和洛伦兹力是同一级别的力，但是库伦力太大了，我们知道电动机的电流也是稳定的，所以稳定后，理论上只需要把电子整体往上提一个几乎是0的位移就和竖直方向的洛伦兹了平衡了，电子的分布等于不变，而由于电子数量又是10的23次方那么巨大（1摩尔就有这么多了），所以无穷的电子产生的电场就是恒定的电场，也就是说竖直方向的力和库伦力平衡，而且这个平衡和没有完全一样，当然如果有人钻牛角尖要说10的负10次方也不是没有，那就另当别论了，我只讨论这么深。那如果又有人说，我这只是讨论出了一种符合条件的结果，我怎么知道加上电动机之后，最终电流会稳定下来，会发展成为这样的平衡状态呢？如果还有其他平衡态，或者更复杂的动态平衡呢？或者是无规律平衡?那这个问题就太深了，简单一点，实验测出就是这种简单平衡状态，电流不变，电动机转速一定，物理也就是有些理想化。如果非要研究，那就可以说具有唯一性，假设我是上帝，有一个方法可以完美解决这种电学结果，我为什么不用呢？各个不同的结果都是互相映射互通的，所以这可能就是唯一的结果。回到现实，所以就这个问题就只需要看水平的三力平衡就行了，根据并联电路电压相等，所以电压表测的是F1，所以电压表测的不是发热阻力，此时U不等于RI,欧姆定律失效，只能用焦耳定律算发热而不能用欧姆定律代换其中任何的物理量，这就是焦耳定律的解析，至于为什么流体阻力才会发热，那是因为流体阻力是通过负电子撞击正电荷后空间上无规则反弹后产生无规则运动，所以才会发热，热的本质就是无规则运动，其他的状态按场力分析都是弹性碰撞，无能量损耗，全部用来发热。3         串并联电路基本理论本质 并联电路干路电流是支路之和，很简单，因为电子不能跑出导线，电压一样，也好理解，因为一个竖直放置的水管，下方分成两个口子，两个口子的水压一样，电压不就是压强么，和水压一样，只不过是动态平衡罢了。串联电路电阻是各电阻之和，也好理解，因为阻力就是动力大小，就拿宏观上人推木块，四个一样的木块排直线需要F的力，那八个一样的木块排直线肯定需要2F的力了。其他的结论如影响导体电阻的因素什么的，都可以推导出来，那些二次结论就不叙述了。4         结语 后面电学还有麦克斯韦方程组等等，其实也都有其属性，科学都是一体的，追求统一。*无基金 无参考文献