-Поиск по дневнику

Поиск сообщений в Gwenv

 -Подписка по e-mail

 

 -Статистика

Статистика LiveInternet.ru: показано количество хитов и посетителей
Создан: 13.02.2017
Записей:
Комментариев:
Написано: 611


Магнитное поле: свойства и парадоксы

Пятница, 15 Сентября 2017 г. 11:40 + в цитатник

Магнитное поле, его вихревая природа, сила Лоренца, электромагнитные и магнито-магнитные взаимодействия


Магнитное поле: свойства и "парадоксы"


Электрическое и магнитное поля появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. М. Фарадей, а затем и Дж. Максвелл ввели эти понятия, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. По мысли авторов поля представляли некоторые умозрительные модели, которые делали эти взаимодействия более наглядными и упрощали расчеты. Никаких представлений о природе этих полей не существовало. Под «полем» творцы электродинамики предполагали некоторую «деформацию» всепроникающей гипотетической среды – «эфира», заполняющей все мировое пространство. Хотя мировому эфиру приходилось приписывать странные и противоречивые свойства, но в его существовании в середине 19-го века никто не сомневался.


Всякая мысленная модель обладает лишь теми свойствами, которыми, руководствуясь экспериментом, ее наделяет автор. Например, электрическое поле создается зарядами, «деформирующими» мировой эфир. Эта «деформация» приводит к тому, что в любой точке электрического поля на заряд действует сила, пропорциональная этому заряду. Коэффициент пропорциональности (напряженность поля E(r) ) и стал единственной характеристикой электрического поля. Сложнее было с оценкой параметра, характеризующего интенсивность магнитного поля. Но и ему нашли определяющий параметр – напряженность магнитного поля H(r) , характеризующую «вращательную способность» поля (момент сил, действующий на единичный магнитный момент). Некоторое недоумение вызывала экспериментально обнаруженная связь между электрическими и магнитными явлениями. Можно было предполагать, что это – результат взаимодействия загадочных электрических и магнитных «деформаций» мирового эфира, природу которых удастся разгадать позднее.


В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию. Эта благостная картина была разрушена в начале 20-го века, когда появилась специальная теория относительности (СТО). Эта теория отрицает существование избранной системы координат, каковой представлялся мировой эфир. Это понятие было исключено из научного обихода, и мировое пространство осталось абсолютно пустым. Лишенные материальной основы, поля «зависли в вакууме». Чеширский кот исчез, но осталась его «улыбка» – взаимодействие между полями, которое невозможно между мысленными понятиями. Снова появился призрак дальнодействия, ибо – согласно СТО – скорость движения ограничена лишь для материальных объектов. Чтобы сохранить СТО, пришлось «материализовать» электрическое и магнитное поля. Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами материальных объектов.


Вихревое ли магнитное поле?


Как же смотрится магнитное поле (МП) сегодня?


В школе нам объясняли, что линии напряженности магнитного поля замкнуты и представляют концентрические окружности вокруг провода с током. Поле, линии которого замкнуты, называется «вихревым». Став постарше, мы узнали, что вихревое поле характеризуется дифференциальным соотношением: div H =0 , что означает, что не существует магнитных «зарядов» – северного и южного «монополей». В точках пространства, занятого вихревым полем, существует «завихренность», что выражается зависимостью rot H ≠0 . Дж. Максвелл ввел оба соотношения в систему дифференциальных уравнений электродинамики. Для стационарного магнитного поля второе соотношение было записано в виде.


где j – плотность электрического тока в данной точке поля.


Стационарное магнитное поле создается, например, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. МП тока заполняет все пространство, ослабевая (обратно пропорционально квадрату расстояния) с удалением от тока. Но – согласно уравнению (1) – «завихренность» существует лишь в тех точках, где j отлично от нуля, то есть в точках, принадлежащих проводу . Можно показать, что во всем остальном пространстве rot H ≡0 . То есть во всем бесконечном пространстве, за исключением самого провода, магнитное поле не является вихревым ! Вместе с тем отсутствие «магнитных зарядов» не позволяет ему быть и потенциальным. Что же это за странный объект, который не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля?


Математическая теория поля создавалась в рамках механики жидкостей и газа – для описания векторных полей скоростей и ускорений в моделях сплошной среды. Одним из положений теории поля является вывод, что в идеальной (невязкой) сплошной среде образование вихрей невозможно. И наоборот – вихри, изначально («от рождения») существовавшие в идеальной среде, должны существовать вечно и исчезнуть не могут (согласно закону сохранения момента импульса). Но авторы идеи «материализации» магнитного поля не наделили его вязкостью , ибо для этого не было (и не могло быть!) никаких экспериментальных оснований. Так в электродинамике появилось безвихревое «вихревое» магнитное поле. Иногда математическое понятие «вихревое поле» трактуют как пространство, в некоторых точках которого rot H ≠0 . Такое понимание неприемлемо для магнитного поля. Точки, принадлежащие току – это особые точки, которые нельзя считать точками поля, как нельзя считать точками электрического поля заряды, его создающие.


Продолжим, однако, рассмотрение процессов, в которых участвует магнитное поле.


Взаимодействие МП с электрическими зарядами.


Важнейшим взаимодействием в электродинамике является силовое взаимодействие МП с электрическими зарядами. Впервые это взаимодействие обнаружил Ампер в 1820 году. Он установил, что на провод с электрическим током в МП действует сила («сила Ампера»). Так как на провод без тока МП не действовало, то было очевидно, что сила Ампера – результат воздействия МП на движущиеся по проводу электроны. Анализируя эти результаты, Х. Лоренц построил теорию взаимодействия МП с одиночными заряженными частицами. Воздействие МП с магнитной индукцией B на частицу с зарядом q , движущуюся со скоростью v , определяется силой Лоренца.


Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как соотношение (2). Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то МП не может передать движущейся частице какую-либо энергию. Отсюда – широко распространенное убеждение, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Это утверждение вызывает недоуменные вопросы: а какая же сила поднимает тонны металлолома с помощью электромагнитов? Какова природа «пондеромоторных» сил взаимодействия между проводами с токами? И, наконец, сила Ампера, «работающая» во всех электродвигателях, разве она не магнитная?


Большинство специалистов по электродинамике лукавят, «не замечая» это противоречие. Но некоторые авторы добросовестно пытаются объяснить этот «парадокс» (см., например, [1]). Чтобы не исказить авторскую мысль, приведем полностью это объяснение: «…роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению ЭДС, оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии с высказанным … утверждением о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью . Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода»[1,с.177]).


Аккуратный анализ такого объяснения показывает, что оно не устраняет противоречие. Я не стану приводить здесь этот анализ. Ограничусь лишь мысленным экспериментом, менее «научным», но достаточно убедительным.


Допустим, в магнитном поле В со скоростью v 1 движется проводник (Рис. 1). Чтобы создать ЭДС, нужно переместить свободные заряды (электроны) на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость v 2 вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: с появлением составляющей v 2 скорость электрона стала бы равной v 0 > v 1 , что противоречит зависимости (2).


К силе Лоренца много претензий и у классической механики. Согласно зависимости (2) сила Лоренца в однородном магнитном поле «сворачивает» траекторию заряженной частицы в окружность, сохраняя при этом скорость частицы (ее кинетическую энергию). Но – согласно классической механике – материальный объект массой m , вращающийся с угловой скоростью ω , кроме поступательной энергии mv 2 ⁄2 имеет еще и вращательную составляющую Jω 2 ⁄2 , где J – момент инерции тела. Откуда она возьмется? Так что у силы Лоренца, похоже, нелады с законом сохранения энергии… Нетрудно понять, что зависимость (2) нарушает и другие законы сохранения – импульса, момента импульса, а в самом взаимодействии отсутствует сила, ответная силе Лоренца, которая ей «полагается» по 3-му закону Ньютона. Все эти соображения привели некоторых специалистов к заключению, что в электромагнитных взаимодействиях законы механики не работают (?!).


Таким образом, существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле! Но такая генерация – экспериментальный факт, который сегодня широко используется на практике! Специалисты-практики пользуются другими представлениями о природе электромагнитных взаимодействий. При этом они руководствуются исходными идеями, сформулированными еще основоположниками электродинамики. Вот что писал о свойствах магнитного (и электрического) полей Дж. Максвелл:


« открыл, что в среде имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению веревки, в направлении силовых линий, соединенном с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных »[2].


В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как «натяжение» силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. «Упругими» свойствами линий поля объясняются механические воздействия на проводники с током в электромагнитном поле (так называемые «пондеромоторные силы»).


На рисунке 2, а показана положительно заряженная частица, движущаяся от нас в однородном магнитном поле B 0 . Она создает собственное магнитное поле B 1 , которое, складываясь с полем B 0 , образует неоднородное результирующее поле B = B 0 + B 1 , градиент которого направлен вниз – в сторону более сильного поля. Это поле напоминает поле, представленное на рисунке 2, б . Рисунок взят из учебника Калашникова [3]. Так автор объясняет природу пондеромоторных сил, старающихся деформировать соленоид с током. Эта картинка отражает тот же механизм, что и рисунок 2, а . Разница лишь в том, что рисунок 2, б иллюстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника с током – силу Ампера, а на рисунке 2, а показано взаимодействие магнитного поля с полем одиночного движущегося заряда. В таком поле существует градиент магнитного «давления». В результате на заряд действует сила F M , направленная противоположно этому градиенту. Можно показать, что по величине и направлению эта сила совпадает с силой Лоренца. Но это совпадение – лишь количественное . В отличие от силы Лоренца сила F M – это сила магнитного давления, которая может совершать работу над движущимися заряженными частицами, обращая эту работу в ЭДС.


Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Если оставаться в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли «посредника», который передает усилие от внешнего поля заряду. Тогда взаимодействия магнитного поля с электрическими зарядами сводятся к силовому взаимодействию между магнитными полями . Таким образом, электромагнитные взаимодействия, которые мы сегодня условно называем «магнитными силами», следует считать истинно магнитными . В стороне остается вопрос, как это взаимодействие между магнитными полями передается собственно заряженной частице. Разрешение этой проблемы выходит за рамки данного исследования.


Замена силы Лоренца силой магнитного давления – это лишь «косметический ремонт» модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Например, выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.


Есть ли «структура» у магнитного поля?


«Двуликая» природа ЭМИ тесно связана с представлениями о «структуре» магнитного поля. По мысли творцов электродинамики эта «структура» задается линиями поля. Объяснение явления ЭМИ «способом пересечения» предполагает у магнитного поля наличие такой структуры. «Теория взаимодействия полей» не нуждается в представлении магнитного поля «силовыми линиями». Поэтому сторонники этой теории считают магнитное поле бесструктурным. Одним из таких сторонников был академик И.Е. Тамм. Критикуя «механизм пересечения», он писал:


«… такая интерпретация не выдерживает никакой критики: силовые линии являются лишь вспомогательным понятием, … а не какими-либо материальными образованиями, отдельные элементы которых можно было бы индивидуализировать… »[4].


То есть, понимая, что магнитное поле – категория нематериальная, автор, тем не менее, не считает возможным мысленно наделить ее некоторой «структурой». (Между строк заметим, что эта точка зрения не помешала в свое время «материализовать» МП, присвоив ему массу, импульс и прочие свойства материального объекта!).


Мы показали, что разрешить некоторые «парадоксы» ЭМИ возможно лишь с помощью механизма пересечения, для которого структурированность магнитного поля – обязательное условие. Из-за того, что в электродинамике уже более 100 лет господствует "теория взаимодействия полей", долго не находили разрешения классические «парадоксы»– Геринга и Фарадея.


Все эти проблемы снимаются, если допустить, что магнитное поле имеет «структуру», а магнитные силы – это силы «натяжения и давления» силовых линий.


Магнитное поле в космосе.


Одним из основных выводов из системы уравнений Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн (ЭМВ) и его гениальная догадка, что свет имеет электромагнитную природу. Вместе со светом электромагнитные взаимодействия «вышли в космос». Новое «рабочее место» потребовало от магнитного поля новых «способностей».


Мы видели, что большинство «парадоксов» в электродинамике связано с идеей «взаимодействия полей». Альтернативой этой теории является «механизм пересечения», который предполагает участие заряженных частиц. Но СТО утверждает, что межзвездное пространство пусто! В космосе нет (ну – почти нет!) заряженных частиц. Как же электромагнитные волны могут распространяться в пустом пространстве? Как в пустоте образуется ток, создающий магнитное поле – магнитную составляющую электромагнитных волн? И как в вакууме работает «механизм пересечения», генерирующий электрическую компоненту ЭМВ?


Стоит лишь удивляться (восторгаться!) изобретательности теоретиков, которые, пренебрегая законами природы и здравым смыслом, все-таки «решили» все эти проблемы. Но это – отдельный разговор. Об истории этих «изысканий», о новых свойствах, которыми наделили магнитное (и электрическое) поле теоретики и о новых «парадоксах», к которым привели эти разработки, мы расскажем позже. А пока обратимся к электрическому полю.


M-CABLE магнитная зарядка



M-CABLE магнитная зарядка


ЗАКАЗАТЬ НА ОФИЦИАЛЬНОМ САЙТЕ >>>

Метки:  

 

Добавить комментарий:
Текст комментария: смайлики

Проверка орфографии: (найти ошибки)

Прикрепить картинку:

 Переводить URL в ссылку
 Подписаться на комментарии
 Подписать картинку