К электродинамике здравого смысла

Теория "взаимодействия полей" искажает природу электромагнитной индукции. Она привела к появлению ряда фантомов – "вихревое электрическое поле", "ток смещения в вакууме" и пр. Такие понятия, как сила Лоренца, магнитное поле и др., были наделены несвойственными им функциями. Сложившиеся представления о генерации и распространении электромагнитных волн породили мистический вариант электромагнитного излучения, которое не может ни перемещаться в пространстве, ни переносить энергию. Современная электродинамика изобилует "парадоксами" и утверждениями, противоречащими не только здравому смыслу, но и другим теориям и закономерностям. Все это привело к длительной стагнации в теоретической электродинамике.

Оглавление

• 1.    Начало

• 2.    Теория и эксперимент

• 3.    "Вихревое" электрическое поле

• 4.    Два лика ЭМИ

• 5.    Электрическая энергия

• 6.    Потенциальная и электрокинетическая энергия

• 7.    Природа электромагнитных взаимодействий

• 8.    Электромагнитные волны

• 9.    Природа ЭМВ (гипотезы)

• 10.    Заключение

Литература

1.    Начало

Началом электродинамики можно считать открытие М. Фарадеем (1831 г.) явления электромагнитной индукции (ЭМИ). Фарадей установил, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нем протекает электрический ток. Этот результат Фарадей сформулировал примерно так:

Заряд ∆q, прошедший по замкнутой цепи, пропорционален изменению магнитного потока ∆Ф, пронизывающего контур, и обратно пропорционален сопротивлению цепи R:

A q = АФ/ R (1)

Со временем эта формулировка претерпела некоторые изменения. Не следуя исторической достоверности, запишем соотношение (1) в дифференциальной форме:

dq = d Ф/ R .

Заряд, прошедший по цепи за время dt , определяется соотношением: dq = Idt , где I – мгновенное значение тока в цепи. Тогда

Idt = d Ф/ R или IR = d Ф/ dt . (2)

Согласно закону Ома для замкнутой цепи IR = ^ — электродвижущая сила (ЭДС) в цепи. Для оценки направления индукционного тока академик Ленц ввел в соотношение (2) знак «–» ("Правило Ленца"):

d Ф dt ^.

Это соотношение отражает "Основной закон электромагнитной индукции". В такой формулировке этот закон и вошел в знаменитую систему уравнений электродинамики Дж. Максвелла.

Переход от экспериментальной зависимости Фарадея (1) к формулировке Максвелла (3) был простым (тождественным) математическим преобразованием и кажется логически обоснованным. Но именно эта подмена стала первым шагом науки об электричестве на тропинку, которая к настоящему времени завела эту важнейшую область человеческого знания в тупик.

Критическому анализу некоторых положений современной классической электродинамики посвящена эта статья.

2.    Теория и эксперимент

Начнем с того, что зависимость (3) искажает результаты экспериментов Фарадея. Если у Фарадея в процессе ЭМИ в замкнутом проводнике возникал электрический ток , то согласно соотношению (3) переменный магнитный поток создает в проводнике электрическое поле – индукционную ЭДС. В законе ЭМИ Максвелла нет ни тока, ни электрических зарядов. Это создает иллюзию , что электрическое поле можно получить непосредственно из магнитного поля – без участия зарядов и токов. Ничего подобного из экспериментов Фарадея не следовало. Тем не менее, такой вывод из зависимости (3) продолжатели Максвелла восприняли буквально – как возможность генерации электрического поля в вакууме переменным магнитным полем. Так электродинамика из науки о взаимодействии электрических зарядов превратилась в науку о взаимодействии полей, а теория Максвелла – в "теорию электромагнитного поля". За полтора столетия развития электродинамики зависимость Фарадея (1) была практически забыта, а «Законом Фарадея» сегодня повсеместно называют его «Максвелловскую» формулировку (3).

3.    "Вихревое" электрическое поле

В 19-ом веке единственным способом создания электрического тока было воздействие на заряды электрическим полем. Чтобы в замкнутом контуре протекал индукционный ток, требовалась круговая (замкнутая) ЭДС. В отсутствие зарядов замкнутое электрическое поле может быть только вихревым. Поэтому ЭМИ в замкнутом контуре сегодня объясняют так:

Нестационарное магнитное поле образует вокруг себя вихревое электрическое поле, которое в проводящем контуре создает индукционный ток.

Такое объяснение следует признать несостоятельным, ибо – согласно теории физических полей – "вихревое" электрическое поле… не существует. Действительно: электрическое поле образуется силовым вектором – напряженностью E , которая в любой точке поля связана с потенциалом ϕ в этой точке известным соотношением E = -∇ϕ . Интеграл от напряженности по любому конечному отрезку L

в электрическом поле

∫ E d l =Δ ϕ

L

это

разность потенциалов на этом отрезке. Вихревое поле скалярным потенциалом не обладает. Отсюда следует, что электрическое поле не может быть вихревым . Максвелл ввел понятие "вихревое электрическое поле", чтобы "замкнуть" цепь переменного электрического тока в контуре с конденсатором, "симметризировать" процессы генерации электрической и магнитной компонент в замкнутом контуре. Не думаю, чтобы сторонники "вихревого электрического поля" не видели, что это понятие противоречит здравому смыслу, но иначе "Максвелловская" формула не могла объяснить возникновение индукционной ЭДС в замкнутом контуре.

Итак, следует признать, что идея "взаимодействия полей", порожденная формулировкой (3) закона ЭМИ, в природе не реализуется. На сайте electrodynamics.narod.ru [1] показано, что во всех случаях, где по существующим представлениям должно "работать" вихревое электрическое поле, работу выполняет круговое, но потенциальное поле, а «вихревое электрическое поле» – это фантом, который в природе не существует.

4.    Два лика ЭМИ

Индукционная ЭДС возникает в любом проводящем отрезке, движущемся в магнитном поле.

Необходимым условием возникновения ЭДС в проводящем отрезке М. Фарадей считал пересечение проводником линий магнитного поля. Возникновение индукционной ЭДС по механизму пересечения можно представить так:

При пересечении линий магнитного поля движущимся проводником в нем протекает электрический ток, создающий на концах проводника индукционную ЭДС.

Возникновение индукционного тока по механизму пересечения объясняется взаимодействием свободных зарядов в проводнике с магнитным полем (теория электромагнитного взаимодействия Х. Лоренца). Очевидно, что это другой механизм, принципиально отличный от индукционного механизма ЭМИ в замкнутом контуре. Таким образом, явление электромагнитной индукции выступает сегодня в двух ипостасях, в двух «лицах», совершенно не похожих друг на друга.

Известно, что ЭДС индукции в замкнутом контуре не зависит от того, каким способом изменяется пронизывающий его магнитный поток. Механизмом пересечения можно объяснить возникновение в контуре индукционного тока при приближении к нему или удалении постоянного магнита, при вращении контура в однородном (или его поступательном движении – в неоднородном) магнитном поле, при деформации контура, приводящей к изменению его площади и/или ориентации, и во многих других случаях. И только один случай не удается описать этим механизмом – возникновение ЭДС в замкнутом неподвижном и недеформируемом контуре вследствие изменения магнитной индукции в пронизывающем контур магнитном потоке. Многие специалисты понимают, что такое положение ненормально, но какое-либо внятное объяснение такой "двуликости" явления ЭМИ отсутствует. А ответ лежит на поверхности: механизм пересечения отражает представления Фарадея о природе ЭМИ (зависимость (1)), а индукционный механизм – это рецидив идеи "взаимодействия полей", порожденной формулировкой (3). Признать эту очевидную истину мешает лишь религиозный трепет перед "священной коровой" – теорией электромагнитного поля Максвелла. На сайте [1] предлагается вариант, который позволяет объяснить возникновение индукционной ЭДС в замкнутом проводящем контуре по механизму пересечения.

5.    Электрическая энергия

Наибольший вред идея "взаимодействия полей" нанесла понятию "электрическая энергия". Сегодня в "официальной" науке такое понятие вообще отсутствует. Это скажет вам любой физик, добросовестно усвоивший теоретический (университетский) курс электродинамики. В последнем издании "Большого энциклопедического словаря" по физике [2] электрическая энергия упоминается лишь в комбинации "электромагнитная энергия".

Понятие электрического (а затем и магнитного) поля ввели Фарадей и Максвелл, чтобы исключить дальнодействие в электродинамике. Поля оказались удобной математической моделью для расчетов электрических и магнитных взаимодействий. Авторы считали их реальными физическими объектами, как-то отражающими деформацию мирового эфира. С появлением Специальной теории относительности понятие "мировой эфир" было исключено из научного обихода. Его заменили "электромагнитным полем", которое наделили массой, энергией, импульсом и прочими атрибутами реальных (материальных) объектов. Это было логическим развитием идеи "взаимодействия полей", но стало вторым серьезным отступлением от здравого смысла в электродинамике.

Во времена Исаака Ньютона, когда с бóльшим уважением относились к интуиции естествоиспытателей, была разработана стройная и логичная система представлений о механической энергии. Она имеет две модификации – кинетическую (энергию движения) и потенциальную (энергию взаимодействия неподвижных тел). Максвелл отмечал явную аналогию между электрической и механической энергией [3, с. 202], различая "электростатическую" и "электрокинетическую" энергию. Очевидно, что под "электростатической" Максвелл понимал потенциальную энергию взаимодействия зарядов противоположного знака, "смещенных" относительно друг друга (разность потенциалов). В теории электромагнитного поля стараются избегать термина "потенциальная электрическая энергия", что апологетам теории взаимодействия полей дается с трудом – как иначе можно назвать энергию заряда q в точке с потенциалом ϕ ?

Меньше повезло термину "электрокинетическая энергия". Сегодня этот термин воспринимается как ругательство, ересь, сопряженная с "вероотступничеством". О каком "движении" можно говорить в "теории полей", в которой "электрические токи и магниты" в лучшем случае выполняют лишь служебные роли? С тех пор, когда электродинамика стала "теорией полей", электроэнергия существует исключительно в форме "плотности энергии электромагнитного поля". Практически не исследованными остаются ни процессы генерации потенциальной энергии (ЭДС), ни переход потенциальной электрической энергии в "энергию движения". Не ясна сама природа этого понятия. А ведь "энергия движения" – это и есть та "рабочая форма" электрической энергии, в которой она превращается в тепло, работу и другие формы энергии!

Практическая электротехника уже многие десятилетия развивается самостоятельно – без какой-либо реальной теоретической поддержки. Огромные успехи электроэнергетики, электроники, радиосвязи, кибернетики, телевидения и пр. получены не благодаря, а скорее – вопреки представлениям современной теоретической электродинамики.

6.    Потенциальная и электрокинетическая энергия

За два века создано множество электрогенераторов разной природы и конструкций. Из-за путаницы в понятии "электрическая энергия" работа генераторов различной природы долгое время анализировалась порознь. Лишь в 1929 году академик И.Е. Тамм предложил модель [4], которая позволила рассматривать процесс генерации электроэнергии с единых позиций (как "абстрактный генератор"). Кратко эту идею можно изложить так:

Чтобы создать потенциальную электрическую энергию (разность потенциалов), нужно 1) "разделить" заряды противоположного знака и, 2) перемещая их против электрического поля, "развести" их на разноименные полюсы генератора. Эту работу могут выполнить лишь силы не электростатической природы, которые И.Е. Тамм назвал "сторонними силами". Кроме функции создания потенциальной энергии, сторонние силы должны удерживать электрические заряды от "схлопывания" внутри генератора и поддерживать ЭДС в рабочем режиме. Таким образом, направленное движение зарядов (электрический ток) создается двумя способами: внутри генератора – сторонними силами, направленными от « – » к « + », а во внешней цепи – потенциальными электрическими силами от « ₊ » к « – » (см. [1]).

Явление ЭМИ – это процесс генерационный. ЭДС индукции создается индукционным (сторонним) током. "Максвелловской механизм" по формуле (3) ставит "телегу впереди лошади", утверждая, что в процессе ЭМИ сначала образуется индукционная ЭДС, которая затем вызывает индукционный ток. Эту ошибку в формулировке (3) допустил Максвелл в середине 19-го века. Удивительно, что этой коварной ошибки не избежал и сам автор модели "сторонних сил" – академик И.Е. Тамм [5]. Причина в том, что не определено понятие "электрическая энергия" и существует глубокое непонимание принципиальной разницы между потенциальной и "электрокинетической" энергией. Если обобщенное представление о процессе генерации потенциальной электрической энергии в 30-ые годы прошлого века как-то определилось, то какое-либо разумное представление об "электрокинетической" энергии отсутствует и по сей день.

В классической электродинамике фигурирует другое понятие – магнитное поле, как "носитель" электрокинетической энергии. С точки зрения здравого смысла мысленное понятие "магнитное поле" (как и электрическое) энергией обладать не может. Но – в отличие от электрического поля – магнитное поле не связано ни с какими "зарядами", то есть не может считаться даже удачной математической моделью взаимодействия реальных (материальных) объектов. Чтобы не заблудиться в дебрях релятивистской физики, рискну высказать лишь два очевидных утверждения: 1) "энергия движения" – это другая форма электрической энергии, отличная от потенциальной энергии взаимодействия неподвижных зарядов; 2) она определяется силой тока или – при движении одиночного электрического заряда – величиной заряда и его скоростью. Отсюда следует вывод, который мне кажется разумным и достаточно обоснованным: "Магнитное поле" – это умозрительное понятие, которое в какой-то степени можно считать синонимом "электрической энергии движения". Установить физику этого "родства" пока не удалось…

7.    Природа электромагнитных взаимодействий

Исследования процессов получения ЭДС в электрохимических источниках тока оставим электрохимикам. Рассмотрим подробнее лишь работу индукционного генератора. Если объяснение образования ЭДС "вихревым электрическим полем" признать досадным недоразумением, то все явления ЭМИ сводятся к пересечению заряженными частицами линий магнитного поля. При этом работают силы электромагнитного взаимодействия, описываемые теорией Х. Лоренца. Магнитная составляющая силы Лоренца определяется формулой Лоренца:

F L = q [ v,B ]- (4)

Эта зависимость отражает силу воздействия магнитного поля с индукцией B на электрический заряд q , движущийся со скоростью v (см. рисунок). При движении проводящего отрезка в магнитном поле на его концах возникает разность потенциалов Д ^ = ф ₂ — ф 1 — индукционной ЭДС, которая определяется равновесием между силой Лоренца F _L и кулоновской силой F _K .

Считается, что сторонней силой в данном процессе является сила Лоренца (другого "претендента" на эту роль просто нет!). Основная функция сторонней силы – передать заряженной частице некоторую энергию, которая превращается в потенциальную электрическую энергию (разность потенциалов, ЭДС). Но – согласно формуле Лоренца (4) – магнитная сила всегда перпендикулярна скорости частицы, и поэтому заряженная частица не может получить от магнитного поля какую-либо энергию. То есть сила Лоренца не может быть сторонней силой ! Это противоречие специалистам известно давно, но теоретики предпочитают его "не замечать". В замкнутом контуре от этого "парадокса" спасает "вихревое электрическое поле", но при движении проводящего отрезка в магнитном поле круговое электрическое поле не существует! В таких случаях теоретики, пренебрегая здравым смыслом, прибегают к "палочке-выручалочке" – релятивистскому формализму (см.., например, [6]).

Но в практической электротехнике магнитные силы успешно работают без участия релятивистских эффектов! При этом практики обходятся даже… без механизма Лоренца. Дело в том, что утверждение "магнитные силы не могут совершать работу", справедливо лишь для однородного магнитного поля. В неоднородном поле существуют градиенты плотности поля, которые создают магнитное давление . При движении электрического заряда в однородном поле его собственное магнитное поле искажает внешнее поле. Возникающие при этом неоднородности и градиенты "магнитного давления" – это и есть причина силового электромагнитного взаимодействия. Но это – принципиально другой физический механизм, который требует другого формализма.

Таким образом, магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. "Посредником" в этом взаимодействии служит собственное магнитное поле заряда. Так что "электромагнитное 192

взаимодействие" можно считать истинно магнито-магнитным взаимодействием!

8.    Электромагнитные волны

Венцом "теории взаимодействия полей" является предсказание и дальнейшее экспериментальное подтверждение (Г. Герц, 1888г.) существования электромагнитного излучения – электромагнитных волн (ЭМВ). В этом открытии проявилась вся гениальность и физическая интуиция Дж. Максвелла. Но – с другой стороны – в этом заключительном аккорде "теории полей" сконцентрировались все "парадоксы" и рецидивы отклонений от здравого смысла, допущенные Максвеллом и его последователями – Г. Герцем, О. Хэвисайдом, А. Эйнштейном и др. [7]. Вдумчивый анализ современных представлений об электромагнитных излучениях вызывает множество недоуменных вопросов:

• 1) . Решение системы уравнений Максвелла приводит к двум одинаковым волновым уравнениям для электрической и магнитной компонент ЭМВ, что делает волны электрической и магнитной напряженности синфазными . В связи с этим возникают вопросы: может ли при этом электромагнитная волна перемещаться? Не нарушается ли здесь закон сохранения энергии? Может ли плотность потока энергии (модуль вектора Умова-Пойнтинга) меняться по гармоническому закону? Сегодня на эти вопросы, не пренебрегая здравым смыслом, ответить невозможно.

• 2) . Генерация и распространение электромагнитного излучения предполагают поочередный переход "энергии электрического поля" в "магнитную энергию". Со времен Эрстеда (1820 г.) известно, что магнитное поле создается только электрическим током (потоком заряженных частиц). Чтобы ЭМВ могли распространяться в вакууме, пространство должно быть заполнено некоторой средой – "мировым эфиром", который – по мыслям Максвелла – должен обладать свойствами диэлектрика. В частности, "мировой эфир" должен содержать связанные электрические заряды разного знака. Переменное электрическое поле вызывает в "эфире" переменные "токи смещения" (поляризационные токи), которые и создают переменное магнитное поле.

Недавно в издательстве STL была опубликована статья профессора В. Эткина [8], в которой автор на основе общефизического представления о потоках смещения показал, что ток смещения, который Дж. Максвелл ввел в систему уравнений электродинамики, не соответствует общефизическому понятию потока смещения. Даже в диэлектрической среде этот ток не может создавать магнитное поле, так как направлен против тока проводимости. Измерения исследователей из С-Петербургского госуниверситета показывают, что магнитное поле от токов смещения в кристаллическом диэлектрике пренебрежимо мало (теоретически – равно нулю (см. [8]).

Выше было показано, что и обратный процесс – генерация электрической компоненты ЭМВ тоже невозможна, ибо магнитное поле не может создать "вихревое электрическое поле". Таким образом, ЭМВ – по существующим сегодня представлениям – не способно перемещаться в вакууме .

• 3) . И, наконец, если учесть сказанное выше об электрической энергии, то ни электрическое, ни магнитное поле в вакууме энергией не обладают и, следовательно, ЭМВ не могут принести нам через космическую "пустоту" ни солнечный свет, ни тепло. Они не могут "работать" ни в радиоприемниках, ни в телевизорах, ни в радиолокаторах…

9.    Природа ЭМВ (гипотезы) 10.    Заключение

На сайте [1] все эти "недоуменные вопросы" и возможные ответы на них рассматриваются подробно. Показано, что синфазность компонент в ЭМВ – результат попытки насильственно симметризировать электрические и магнитные явления, что электромагнитное излучение возможно лишь в материальной среде, содержащей электрические заряды. Более того, автор [8] теоретически показал, что в вакууме взаимное преобразование компонент "электромагнитного поля" друг в друга невозможно.

Все эти нелепости в интерпретации природы электромагнитных излучений привели автора [9] к выводу, что электромагнитные волны имеют… не электромагнитную природу. А какую?

Впервые предположение о неэлектромагнитной природе ЭМВ высказал в 1932 году Никола Тесла [10]. Он предположил, что мировой эфир – это газообразное тело, "в котором могут распространяться только продольные импульсы, образуя попеременно сжатие и разрежение, подобно тому, как происходит при распространении звуковых волн в воздухе. Следовательно, радиопередатчик не создает волны Герца, которые являются мифом, а создает звуковые волны в эфире, поведение которых во всех смыслах подобно волнам в воздухе, кроме того, что благодаря огромной упругости и крайне малой плотности среды, их скорость равна скорости света". Таким образом, согласно гипотезе Н. Тесла 194

ЭМВ представляют собой волны давления в мировом эфире. Единственное возражение против такой гипотезы – это поперечность ЭМВ, которую экспериментально подтверждают поляризационные свойства света. С другой стороны этот факт согласуется с утверждением автора [8], что в пустоте невозможно преобразование компонент "электромагнитного поля" друг в друга. Возможно, экспериментальные исследования поляризации электромагнитного излучения в вакууме разрешит этот "парадокс".

В работе [11] мы предложили другую модель ЭМВ. Если предположить, что "физический вакуум" представляет "газообразное тело", состоящее из связанных зарядов противоположного знака (наподобие атома "позитрония"), то ЭМВ можно представить, как поток электрической энергии. Волновое движение в таком потоке обусловлено попеременной «перекачкой» электрической энергии из потенциальной формы в электрокинетическую и последующей передачи этой энергии в соседнюю ячейку, где она снова переходит в потенциальную энергию и т.д. Магнитное поле в этой модели – некоторое абстрактное понятие, заменяющее неизвестный пока механизм передачи энергии электрического тока в соседнюю ячейку волноводной среды. Такая гипотеза переводит природу ЭМВ из механики в область электродинамики, сохраняя все механизмы волновых процессов, и не исключая поперечность "электромагнитного излучения".

Ответы об истинной природе "электромагнитного излучения" могут дать лишь эксперименты.

Электродинамика – наука новая и молодая. Так получилось, что буквально с первых шагов развития электродинамики энтузиасты – исследователи увлеклись "безумными" идеями, отступив от фундаментального методологического правила – так называемого "принципа бритвы Оккама", высказанного философом Уильямом Оккамом еще в XIV веке: "Не нужно множить сущности без необходимости". В современной транскрипции этот принцип гласит, что "самое простое объяснение, скорее всего, и есть правильное". В процессе аппроксимации новых научных понятий были допущены грубейшие отклонения от интуитивных представлений ("здравого смысла"). За два века неадекватного развития электродинамики в теории накопилось много сомнительных и просто ошибочных положений и неразрешимых

"парадоксов". Максвелловская "Теория электромагнитного поля" последователями и "доброжелателями" Дж. Максвелла была канонизирована и возведена в догму. Ситуация усугубляется тем, что ретрограды и чиновники от науки сегодня берегут девственность этой теории с не меньшим усердием, чем инквизиция в свое время берегла догматы религиозные. Любая новая мысль упирается в глухую стену, на которой начертано: "Система уравнений Максвелла". Эта стена стоит на пути теоретической электродинамики уже много десятилетий…

Но жизнь не стоит на месте. Подрастает новое поколение молодых, талантливых и здравомыслящих исследователей, не отягощенных окаменевшими догмами прошлого. За ними – будущее.