Электромагнитные волны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитные волны

К.Б. Канн

Электромагнитная индукция и электромагнитные волны

К середине 19-го века уже были открыты все основные законы электродинамики - закон Кулона, основной закон электромагнитной индукции, закон Ампера и др. В 1855-73 гг. Джеймс К. Максвелл обобщил эти закономерности в системе уравнений электродинамики. Венцом теории Максвелла стало предсказание существования электромагнитных излучений. В 1888 году, через 9 лет после смерти Максвелла существование электромагнитных волн (ЭМВ) было доказано экспериментально (Г. Герц). Анализ системы уравнений Максвелла позволил оценить структуру и свойства электромагнитных волн. В частности, скорость распространения ЭМВ оказалась равной скорости света. На этом основании Максвелл предположил, что свет имеет электромагнитную природу.

Система уравнений Максвелла на многие годы определила развитие электродинамики и успехи ее многочисленных научных и технических применений, в том числе - для радиосвязи, радиолокации, изучения оптических явлений и т.п.

Согласно современным представлениям электромагнитное излучение представляет собой две поперечные волны - электрической () и магнитной () напряженностей. Обе волны поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются в пространстве, как одно целое («электромагнитная волна»). Перемещение ЭМВ обусловлено попеременной передачей энергии от электрической компоненты волны к магнитной и обратно.

Процессы генерации и распространения ЭМВ включают явление электромагнитной индукции (ЭМИ). Один из этих процессов - переход магнитной энергии в электрическую - описывается II уравнением системы уравнений Максвелла:

. (1)

Это и есть векторное представление скалярного выражения основного закона электромагнитной индукции:

(2)

В работе [1] мы показали, что форма (2) закона ЭМИ не соответствует природе этого явления, так как подменяет процесс электромагнитного взаимодействия электрических зарядов взаимодействием полей. Эта подмена привела к ряду «парадоксов» в проявлениях ЭМИ, объяснить которые до последнего времени не удавалось (см. [2]). Теория «взаимодействия полей» породила несколько не существующих в природе фантомов, например, «вихревое электрическое поле» [3].

Такое радикальное искажение природы ЭМИ не могло не сказаться на следствиях из теории Максвелла и, в частности, на представлениях об электромагнитных волнах (ЭМВ).

Парадоксы ЭМВ

Фазовые соотношения

Преобразования системы уравнений Максвелла приводят к двум волновым дифференциальным уравнениям:

и ,

которые дают для напряженностей электрического и магнитного полей два одинаковых волновых решения. Электрическая и магнитная волны лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях и синфазны. Но, если компоненты электромагнитной волны синфазны, то возникает коварный вопрос: а возможно ли вообще существование электромагнитных волн? Ведь распространение колебаний в пространстве возможно лишь в том случае, когда существует механизм передачи возбуждения (энергии колебаний) из одной точки в соседнюю точку волноводной среды. В упругих средах этот механизм обусловлен взаимодействием молекул. В пустоте (вакууме) механизмом «близкодействия» может быть лишь переход энергии электрических колебаний в энергию магнитных колебаний в соседней точке пространства и наоборот. Если колебания синфазны, такое электромагнитное «зацепление» между точками пространства отсутствует, что исключает возможность распространения электромагнитных колебаний. То есть, синфазная электромагнитная волна в вакууме не может быть бегущей.

В замкнутой области (например, в резонаторе) решение уравнений Максвелла дает стоячие волны, причем сдвиг между компонентами ЭМВ составляет четверть периода (см. [4]). Каждые четверть периода электромагнитная энергия в такой стоячей волне переходит от электрической к магнитной компоненте и обратно. Энергия волны как бы «топчется» на месте, совершая колебания на отрезке в четверть волны, что не характерно для стоячих волн.

Синфазность компонент в электромагнитной волне противоречит самой «максвелловской» формулировке (2) основного закона ЭМИ, согласно которой напряженность электрического поля должна быть пропорциональна производной от магнитной индукции.

И, наконец, если электрическая и магнитная компоненты ЭМВ синфазны, то в любой точке волнового пространства электрическая и магнитная энергия не переходят друг в друга, а возникают, растут и исчезают одновременно. При этом плотность потока электромагнитной энергии (модуль вектора Умова-Пойнтинга) в любой точке волнового луча пульсирует, что является нарушением закона сохранения энергии.

Таким образом, строгий физический анализ решений системы уравнений Максвелла приводит к странным выводам, что бегущая электромагнитная волна в вакууме не может «бежать», а стоячая волна не хочет «стоять»! А строгий математический анализ этой системы приводит к результатам, в которых не выполняются не только законы волнового движения, но и фундаментальные законы природы.

Теоретики - ортодоксы, для которых система уравнений Максвелла является своеобразной «Библией» электродинамики вопреки здравому смыслу считают ЭМВ синфазными. Специалисты - практики по радиосвязи, наоборот, убеждены, что волна магнитной напряженности на четверть периода опережает электрическую волну. Но ни те, ни другие не могут ни понять, ни объяснить причину этого парадокса в современных представлениях о природе ЭМВ.

Ток смещения

Современные представления о процессе распространения электромагнитного излучения сводятся к тому, что переменное магнитное поле создает нестационарное вихревое электрическое поле, которое - в свою очередь - генерирует вихревое магнитное поле и т.д. Но со времен Х. Эрстеда и экспериментов Био и Савара известно, что магнитное поле создается электрическим током!

При разработке системы уравнений электродинамики отсутствие зарядов и токов в законе ЭМИ (2) стало для Максвелла «камнем преткновения». Если бы Максвелл творил в наше время, то свою систему уравнений ему вряд ли удалось написать, потому что совершенно неразрешимой показалась бы задача объяснить распространение ЭМВ в вакууме. Но во времена Максвелла считалось, что все пространство заполнено некоторой гипотетической всепроникающей субстанцией - «мировым эфиром», обладающим весьма неопределенными свойствами. В 1837 году Фарадей обнаружил явление поляризации диэлектриков в электрическом поле и высказал мысль о возможности распространения «электрического и магнитного действия» через промежуточную диэлектрическую среду. В 1861 году, анализируя процесс поляризации диэлектрика, Максвелл предположил, что взаимное смещение зарядов в молекулах диэлектрика пропорционально напряженности внешнего электрического поля . В современных обозначениях эта зависимость определяет электрическую индукцию в вакууме , где - электрическая постоянная. При изменении электрического поля в диэлектрике кратковременно протекает ток поляризации, плотность которого определяется зависимостью . Этот ток Максвелл назвал «током смещения». Это - хоть и кратковременный, но ток реальных зарядов, который должен создавать магнитное поле. Максвелл объединил плотность тока смещения с плотностью тока проводимости в общий («полный») ток. Суммарную плотность полного тока Максвелл и включил в I уравнение своей системы:

. (3)

На грани веков, когда создавалась теория относительности, с первым уравнением Максвелла начали происходить странные метаморфозы. Постулаты специальной теории относительности исключали существование абсолютной системы отсчета, каковой представлялся «мировой эфир». Это понятие было исключено из научного обихода. Вместе с эфиром на свалку «научных отбросов» выплеснули и «ребенка» - идею Фарадея о неразрывной связи электрического поля с электрическими зарядами. Казалось бы, с исчезновением эфира должна была обрушиться вся система рассуждений, положенная Максвеллом в основу электродинамики. Но теоретики, не решаясь обидеть ни Максвелла, ни Эйнштейна, изобрели «вихревое электрическое поле» (см. [3]). Эта «гениальная» находка избавляла индукционный процесс (а, следовательно, и ЭМВ) вообще от всяких зарядов!

В «пустоте» не могло быть тока проводимости, поэтому уравнение (3) для системы уравнений в вакууме получило форму

.

Таким образом, магнитное поле создавалось теперь только «полем электрического смещения». Авторы этой идеи «не заметили», что электрические заряды присутствуют и в параметре , так как (по своему физическому смыслу) электрическая индукция представляет собой поверхностную плотность зарядов, возникающую в диэлектрике в процессе поляризации. Без зарядов электрическое поле не может ни поляризовать пустоту, ни создавать ток смещения. Отсутствующие в вакууме молекулы релятивисты заменили несуществующим «вихревым электрическим полем», а производную от этого фантома назвали «током смещения в вакууме»!

Во II томе Берклиевского курса физики [5] Э. Парселл приводит любопытный анализ тока смещения в вакуумном конденсаторе. Он показывает, что ток смещения в вакууме магнитное поле… не создает. Напряженность магнитного поля в любой точке пространства (как внутри, так вне конденсатора) определяется суперпозицией магнитных полей от двух «полутоков» проводимости - втекающего в одну пластину конденсатора и вытекающего из другой.

Сторонники непорочности системы уравнений Максвелла утверждают, что способность изменяющегося электрического поля создавать в вакууме ток смещения без участия зарядов - это эффект релятивистский, а производную называют «релятивистской поправкой» к системе уравнений Максвелла. Вводя понятие «ток смещения», Максвелл об этом не догадывался…

О природе электромагнитного излучения

Сегодня электромагнитные волны получили широкое практическое применение во многих областях человеческой деятельности. Однако, как и сто лет назад, этот важнейший природный процесс остается мало изученным. Искаженные представления об электрической энергии и ее формах и путаница в процессах генерации и диссипации электроэнергии (см. [6]) определили современный взгляд на природу ЭМВ, полный противоречий.

Как же сегодня представляется природа ЭМВ в «официальной» электродинамике? Энергия (не существующего в природе!) «вихревого электрического поля» поочередно переходит в «энергию магнитного поля» (которое энергией не обладает!) и наоборот. Так как оба поля синфазны, то все это происходит в одной точке. Магнитное поле создается (не существующим в вакууме!) «током смещения», а поток «электромагнитной энергии» в направлении распространения непрерывно пульсирует, то исчезая, то вновь возникая из небытия! Этот набор догматических представлений, лишенных физического содержания и противоречащих здравому смыслу, и называется сегодня «электромагнитным излучением».

Я не тешу себя иллюзией, что смогу вскрыть и объяснить природу электромагнитного излучения. Сегодня это сделать невозможно: современная теория, отягощенная догмами и бессмысленными умозрительными конструкциями, справиться с этим не в состоянии, а экспериментальных фактов для создания новой теории ЭМВ недостаточно. Очевидно, что в рамках «теории взаимодействия полей» эта задача неразрешима. От «следствий» этой теории можно избавиться, лишь отказавшись от «пустого» пространства и идеи «электромагнитного взаимодействия полей», навязанного электродинамике этой теорией. Но есть один «парадокс», который можно разрешить (объяснить) уже сегодня. Это - «синфазность» ЭМВ. Причина этого «парадокса» была заложена еще Максвеллом в систему уравнений электродинамики.

В середине 19-го века было известно, что заряженные частицы (электроны) передвигаются под действием разности потенциалов. Электрический ток в проводнике (согласно закону Ома) был пропорционален напряжению. Природа источников тока (гальванических элементов) была неизвестной и загадочной. Другие генераторы электроэнергии (в частности - индукционные) появились намного позже, когда в электродинамике уже господствовала «теория взаимодействия полей», а «энергия электромагнитного поля» вытеснила из электродинамики понятие «электрическая энергия». В 1929 году академик И.Е. Тамм предложил модель «абстрактного электрогенератора» и ввел в процесс генерации электроэнергии понятие «сторонние силы» [7]. Под сторонними силами понимаются силы различной физической природы, перемещающие электрически заряженные частицы против электрического поля. Анализ процесса генерации гармонической ЭДС показывает, что в гармоническом индукционном процессе электрический ток отстает по фазе от индукционной ЭДС на четверть периода. Всего этого Максвелл не знал и не мог знать. Поэтому в системе уравнений Максвелла фазовый сдвиг между индукционным током и ЭДС отсутствует. Этот дефект и стал причиной «синфазности» ЭМВ. (Подробнее об этом см. [8]).

ЭМВ с позиций здравого смысла

ЭМВ, несомненно, переносят электрическую («электромагнитную») энергию. Электрической энергией обладают лишь материальные частицы. В «абсолютной пустоте» нет заряженных частиц, поэтому в идеальном вакууме не может ни «содержаться», ни «переноситься» электрическая энергия. Это и показывает критический анализ парадоксов электромагнитного излучения, приведенный выше. Для существования ЭМВ в пространстве должны существовать связанные электрические заряды противоположного знака. Эти электронейтральные образования должны как-то заполнять физический вакуум.

Рассуждать сегодня о природе этих электронейтральных образований бессмысленно. Известно, например, реально существующее (обнаруженное экспериментально) электронейтральное образование - позитроний. «Атом» позитрония представляет собой водородоподобную связь электрона с позитроном. Имеет ли позитроний какое-либо отношение к «атомам» физического вакуума, еще предстоит выяснить... В дальнейшем мы будем называть их «позитронием» лишь для краткости.

Попытаюсь предложить возможный механизм генерации и распространения электромагнитных волн в вакууме, свободный от нелепостей в современных представлениях об их природе.

Допустим, физический вакуум как-то заполнен «позитронными» диполями. В некоторой плоскости YOZ появляется возмущение, которое выражается в том, что заряды «позитрония» оказываются разнесенными на некоторое расстояние (см. рисунок). В неподвижности система двух разнесенных зарядов обладает потенциальной электрической энергией , где - заряд одного знака, а - разность потенциалов между полюсами «позитронного диполя». Если предоставить систему самой себе, электрический диполь будет совершать колебания. При этом потенциальная энергия будет переходить в «энергию движения» - энергию электрического тока смещения .

Допустим, потенциальная энергия связанных зарядов будет изменяться по гармоническому закону

. (3)

Тогда волна электрического тока, возникающего при движении зарядов, будет отставать от по фазе на (см. [4]), и может быть описана зависимостью:

. (4)

Если обратиться к механизму распространения волн (например, механических), то можно предположить, что на следующем этапе должна произойти передача «энергии движения» в соседнюю точку («ячейку») пространства с последующим переходом энергии тока в потенциальную энергию возбуждения соседнего «атома» физического вакуума. Природа этого процесса сегодня неизвестна. Согласно существующим представлениям передача энергии в ЭМВ осуществляется с помощью магнитного поля. Согласно этой модели ток смещения создает в плоскости, перпендикулярной току, магнитное поле, распространяющееся в пространстве в виде волны магнитной напряженности , синфазной с волной тока смещения. В свою очередь «магнитная волна» переносит энергию этого тока к соседнему «атому» физического вакуума.

Таким образом, согласно нашей модели «электромагнитное излучение» - это поток электрической энергии в структурированной среде - физическом вакууме. Волновое движение обусловлено попеременной «перекачкой» электрической энергии из потенциальной формы в энергию тока смещения, передачи этой энергии в соседнюю ячейку, где она снова переходит в потенциальную электрическую энергию и т.д. Магнитное поле в этих процессах - некоторая абстрактная модель, заменяющая неизвестный пока механизм передачи энергии тока в соседнюю ячейку волноводной среды.

В последнее время в «неофициальной» научной печати появляется все больше работ, из которых следует, что силовое взаимодействие между движущимися зарядами можно объяснить электрическими (кулоновскими) силами, исключив в конечных соотношениях магнитные параметры (см., например, [9]). Это значит, что «магнитное поле» - это лишнее звено в механизме «электромагнитных взаимодействий». К сожалению, несмотря на существующие серьезные претензии к понятию «магнитное поле», заменить его пока нечем.

Предлагаемые представления о природе ЭМВ позволяют разорвать порочный круг догматических представлений, лишенных здравого смысла, и открыть простор для дальнейших исследований электродинамики взаимодействия между движущимися электрическими зарядами. Это позволит, в частности, понять природу волнового распространения электрической энергии в пространстве, которое сегодня мы называем «электромагнитным излучением».

Литература

электромагнитный волна синфазность энергетический

1. Канн К.Б. К электродинамике здравого смысла - sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10798.html.

2. Канн К.Б. О «парадоксах» закона электромагнитной индукции - http://micro-world.su/files/4034.doc.

3. Канн К.Б. Вихревое электрическое поле - http://micro-world.su/files/4042.doc.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. Т. 3 - М.: Физматлит, 2004. С. 591.

5. Парселл Э. Электричество и магнетизм. (Берклиевский курс физики.) - М.: Наука,1983. Том 2. С. 249.

6. Канн К.Б. Электродинамика (взгляд физика). http://electrodynamics.narod.ru/el-energy-generation.html.

7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. Уч. пособие для вузов. 11-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 181.

8. Канн К.Б. Электродинамика (взгляд физика). http://electrodynamics.narod.ru/harmonic-ind-processes.html.

9. Колонутов М.Г. Силовое взаимодействие носителей заряда при их равномерном движении. www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9017.html.

Размещено на Allbest.ru