Четвертая электромагнитная индукция - закон Хмельника

Рассматриваются варианты электромагнитной индукции. Показывается, что существует также индукция, вызванная существованием потока электромагнитной энергии. Находится зависимость э.д.с. этой индукции от плотности потока электромагнитной энергии.

Оглавление

• 1.    Вступление

• 2.    Силы и потоки электромагнитной энергии в электропроводном теле

• 3.    Виды электромагнитной индукции

• 4.    Эксперименты

2.    Силы и потоки электромагнитной энергии в электропроводном теле

1.    Вступление

Ниже рассматриваются варианты электромагнитной индукции. Выделяется индукция, вызванная изменением потока электромагнитной энергии – т.н. четвертая электромагнитная индукция. Находится зависимость э.д.с. этой индукции от плотности потока электромагнитной энергии и параметров провода. Рассматривается механизм возникновения потока энергии, поступающего в провод и компенсирующего тепловые потери.

Первый вариант этой статьи был опубликован в ДНА-31 в 2015г. Здесь исправлен раздел 2.

В [1, глава 5] доказано, что в проводе постоянного тока поток энергии с плотностью S_z создает силу силу с плотностью

F_z = ^S_z/p ,                                     (1)

которая напправлена вдоль провода .

Следовательно, продольная электрическая напряженность в проводе

E = F_z/q                                (2)

может рассматриваться, как электрическая напряженность, вектор которой направлен вдоль вектора S . Совмещая (1, 2) находим: Далее из (1, 2) получаем:

qE = qS/p.                           (3)

Таким образом, в теле, где действуют сонаправленные векторы E и S выполняется условие (3).

Можно утверждать, что поток энергии с плотностью S и напряженность E создают заряды с плотностью q . Эти заряды создаются там, где появляется поток энергии, т.е. создаются со скоростью потока энергии.

Эти дополнительные заряды, не связанные с какими-либо частицами, мы будем называть автономными зарядами . Внутри частиц также могут быть автономные заряды. Такие частицы будем называть заряженными частицами . В частности, электрон является заряженной частицей – см. [11], где показано, что электрический заряд – это одна из переменных в системе уравнений Максвелла, не имеющая какого-либо вещественного эквивалента и подобного в этом смысле напряженности. Однако заряженные частицы не могут двигаться со скоростью света и поэтому их заряды не могут входить в формулу (3). Таким образом, присутствие или отсутствие заряженных частиц не влияет на величину q в формуле (3).

Формулу (3) мы запишем в виде следующего утверждения:

Если электропроводное тело пронизывается потоком электромагнитной энергии с плотностью S и электрической напряженностью E, то в этом теле создаются автономные электрические заряды с плотностью q, определенной по формуле (3).

Это утверждение предлагается называть законом Хмельника .

Появление таких зарядов объясняет действие сила Лоренца, которая создается током в проводе, на сам провод. Действительно, если бы сила Лоренца действовала на заряды, движение которых создает ток, то это означало бы, что заряды движут себя сами! Предложенное утверждение свидетельствует о том, что ток дополнительных зарядов движет электроны провода и вместе с ними сам провод.

Электрический ток может быть конвекционным током - током заряженных частиц, но может быть током автономных зарядов. В первом случае заряды движутся со скоростью потока электромагнитной энергии, а эта скорость определяется механическими силами, которве создают конвекционным током.

Из формулы (3) следует, что величина q имеет положительное значение. Это означает, что автономный заряд, определенный по (3), является положительным .

Электрический ток автономных зарядов в электропроводном теле вызывает тепловое движение заряженных частиц, например, электронов. При этом энергия для теплового движения заряженных частиц поступает из того потока энергии, который создает автономные заряды. Таким образом, в электропроводном теле одновременно существует ток автономных зарядов, движущихся со скоростью потока электромагнитной энергии, и хаотический тепловой ток заряженных частиц. Плотность тепловой мощности, выделяемой при движении зарядов, р = jE = uqE = vpS/p. (4)

Отметим, что поток электромагнитной энергии в проводе распространяется внутри провода (а не снаружи, как принято думать) и этот поток является постоянным во времени даже для переменного тока (а не изменяется и только имеет постоянное среднее значение, как принято думать). Это доказано в [1, глава 2p], как следствие решения уравнений Максвелла. И такой постоянный поток энергии создает в проводе с переменной электрической напряженностью автономные заряды с переменным во времени значением .

3.    Виды электромагнитной индукции

Известен закон электромагнитной индукции дФ

dt где Ф - магнитный поток, е - э.д.с. Известно также [12], что эта электромагнитная индукция - появление э.д.с. в проводнике может возникать как следствие выполнеия двух законов:

F = q(vX В),(2)

VxE = -^.(3)

dt

В соответствии с этим различают два вида электромагнитной индукции – первый вид - случай (3), когда в проводнике э.д.с. появляется вследствие изменения магнитного потока, - электромагнитная индукция, вызванная изменением магнитного потока;

второй вид - случай (2), когда э.д.с. в проводнике появляется под действием магнитной силы Лоренца вследствие взаимного перемещения провода и магнитного поля без изменения магнитного потока, - электромагнитная индукция, вызванная силой Лоренца.

Известен и третий вид электромагнитной индукции, возникающей в униполярном генераторе Фарадея – униполярная электромагнитная индукция. В этом генераторе двигатель вращает постоянный магнит, а на радиусе магнита создается э.д.с., которая определяется по формуле вида e = mBL2/2, (4) где

В - индукция постоянного магнита,

L - длина радиуса магнита,

Ш - угловая скорость вращения.

Эта формула получена разными методами: в [2] с применением теории относительности и в [3] на основе закона сохранения импульса.

Выше показано, что ток индуцируется в проводнике, находящемся в потоке энергии электромагнитной волны. Назовем электромагнитную индукцию, вызванную потоком электромагнитной энергии четвертым видом электромагнитной индукции . Ее определение дано в (2.12, 2.13).

Следовательно, электромагнитный поток энергии позволяет зарядам (току зарядов) преодолевать сопротивление движению и совершает работу (которая частично превращается в тепло). Эта сила действует на все заряды (электроны) в проводе, направлена в сторону тока (т.е. она не действует на провод в целом). Таким образом, поток создает э.д.с., которая "движет ток".

С другой стороны, в плотность электромагнитной энергии является функцией плотности тока J и магнитной напряженности Н , что выражается формулой вида:

s = PJH, (5) где р - электросопротивление. Таким образом, каждый элемент провода с током излучает поток электромагнитной энергии. Этот поток пронизывает следующий элемент провода и создает в этом элементе силу, действующую на заряды, т.е. определенную выше э.д.с. четвертой электромагнитной индукции. Эта сила создает ток. Таким образом, ток в следующем элементе возникает как результат потока электромагнитной энергии, созданного током предыдущего элемента.

Заметим, что поток энергии, созданный некоторым элементом тока, НЕ может воздействовать на этот элемент тока, точно также как поле заряда не может воздействовать на этот заряд.

4.    Эксперименты

Такое представление хорошо согласуется с тем известным фактом, что у молнии существует лидер, движущийся со скоростью в несколько сот километров в секунду. Вот как описывается этот процесс в [4]:

Очередной сильнейший разряд молнии, одновременный с грохотом, осветил всё пространство. Я вижу, как длинный ослепительный луч цвета солнца приближается ко мне прямо в солнечное сплетение. Конец его острый, чем дальше, тем толще, примерно 0,5 метра в длину. Дальше я не вижу, потому что смотрю под углом вниз.

Мгновенная мысль, это конец. Я смотрю, как острие луча приближается. Вдруг оно остановилось и между острием и телом начал вспухать шар, размером с большой грейпфрут. Раздался хлопок, как при вылете пробки из бутылки шампанского. Луч влетел в шар. Я вижу ослепительно яркий шар, цвета солнца, который вращается с бешеной скоростью, перемалывая луч внутри. Но я не чувствую ни прикосновения, ни тепла.

Шар перемалывал луч и увеличивался в размерах. … Шар не издавал никаких звуков. Сначала он был ярким и непрозрачным, а затем начал тускнеть и я увидел, что он пуст. Его оболочка изменилась и он стал похож на мыльный пузырь. Оболочка вращалась, но ее диаметр оставался стабильным, а поверхность отливала металлом.

Известен эксперимент, который может служить экспериментальным доказательством существования этой индукции [5]. Этот эксперимент предлагается и рассматривается в [6, 7, 8] - см. рис. 1 из [6], где

• 1    - медный проводник диаметром 5 мм и длиной 200 мм,

• 2    - спиралеобразный медный провод диаметром 1 мм, диаметр спирали – 30 мм,

• 3    – "обмотка возбуждения" вокруг провода 2, количество витков – 1700,

G - гальванометр.

Основной эксперимент состоял в следующем. Через обмотку возбуждения протекал постоянный ток I_b . При этом через проводник 1 также протекал постоянный ток I np , измеряемый гальванометром G. Ток 1 ^ . изменялся от 0.05 до 0.2A. При этом была получена линейная зависимость I np = f(I b ) . В частности, если I_np = 13mkA , то I b = 0.18A .

Рис. 1.

Другой эксперимент состоял в следующем. Два проводника со своими спиралеобразными обмотками возбуждения соединялись параллельно – см. рис. 2, где 1 – первый проводник, 2 – второй проводник, 3 и 4 – обмотки возбуждения первого и второго проводника соответственно. При встречном включении обмоток возбуждения ток I np ~ 0 . Однако при согласованном включении обмоток возбуждения "значения токов оказывались столь высоки, что стрелка гальванометра мгновенно зашкаливала", что соответствовало току I_n p > 13mkA .

Рис. 2.

В [5] показывается, что эти эксперименты являются экспериментальным доказательством существования четвертой электромагнитной индукции.

Еще одним экспериментом, доказывающим существование четвертой электромагнитной индукции, является трансформатор Позынича [9]. В этом трансформаторе оболочка и центральный провод включаются как обмотки трансформатора – см. рис. 3. Возможны две схемы включения, когда центральный провод и оболочка кабеля включаюся либо в первичную цепь, либо во вторичную цепт трансформатора. Эксперименты показали, что в обоих режимах коэффициент трансформации был равен 1.

В обоих случаях ток в первичной цепи создает магнитную напряженность во вторичной цепи. Эта напряженность создает во вторичной цепи продольный поток электромагнитной энергии . Этот поток создает четвертую электромагнитную индукцию, которая проявляется, как сила, действующая на электроны провода. Эта сила создает ток во вторичной цепи. Наконец, этот ток создает напряженности, следствием которых снова является появление потока электромагнитной энергии и т.д. Так распространяется электромагнитная волна вдоль эектропроводного провода.