(конспект)
Конспект написан по материалам книги Г.В. Николаева [1], указанные в книге ис-точники не проверял – привёл всё как есть. Смысл написания конспекта – изложить материал более кратко и кое-где дать читателю представление о своём видении про-блемы.
Современная теория электромагнетизма сплошь пронизана всевозможными проти-воречиями и парадоксами. Многим парадоксам электродинамики присвоены даже свои собственные названия, например: "парадоксы униполярной индукции", "секреты униполярной индукции", "парадокс униполярного двигателя", "парадокс рельсотрон-ных двигателей", "парадокс Геринга", "парадоксы трансформатора".
Однако сторонники формально-математических методов уверяют, что в математических уравнениях и зависимостях современной электромагнитной теории выражена вся физическая сущность законов электродинамики. Очень странная эта сущность, ибо мы до сих пор не можем дать ответ даже на такие простейшие вопросы как: что пред-ставляет собой электрический заряд , как он действует на расстоянии на другие заря-ды, какова природа электрических и магнитных полей, какие физические причины обусловливают появление вихревого электрического поля Е в тех точках пространства, в которых или около которых изменяется магнитное поле Н и т.п.
Описание некоторых простейших явлений электромагнетизма наталкивается почему-то на непреодолимые трудности и противоречия, см. [2-5].
От великого до смешного – один шаг. Наполеон
1. Некоторые противоречия классической электродинамики
1.1. Закон Кулона – передача действия от одного заряда к другому основывается на не приемлемом с физической точки зрения принципе дальнодействия.
1.2. Магнитные поля в пространстве около движущихся зарядов (или элементов то-ка) определяются, опять таки, по принципу дальнодействия через токи переноса.
1.3. Уравнение Максвелла для магнитного поля элемента тока
Ротор в левой части (Рис. 1, (1.1)) определяется в точке r, а ток переноса в правой части – в какой-то другой точке r;. Но тогда как решать такое дифференциальное уравнение, в котором функции определены не в одной точке?
Ещё «фокус»: запишем корректно выражение для ротора, Рис. 1, (1.2),
где все члены уравнения определяются в одной и той же точке r.
Первый член справа определяет вектор плотности обычного тока смещения в точке наблюдения r, а второй член – вектор плотности обратного тока сме-щения. Но в этом правильном уравнении нет величины, зависящей от r;. Значит уравнение (1.1) – фикция.
Ещё вопрос: корректная запись Рис.1, (1.1) для точки наблюдения r, находящейся заведомо вне объема элемента тока переноса, имеет вид Рис. 1, (1.4), так как в точке наблюдения r jп(r) = 0. Но это, очевидно, неравенство. В самый раз вспомнить то, что утверждал в своих лекциях о Максвелле Р.Фейнман: «Он свёл воедино все законы электричества и магнетизма и создал законченную и прекрасную теорию» [6, с. 80].
1.4. Магнитное поле постоянного линейного тока в абсолютно пустом пространстве вне проводника, как известно, отсутствует:
- нет тока переноса jп(r) и нет тока смещения, т.к. jсм(r) = dE/dt = 0. Однако, опираясь на зависимсть (1.3) и суммируя токи смещения от отдельных элементов линейного тока, нетрудно показать [1], что токи смещения вне проводника всё же не равны нулю. Следовательно, не равна нулю и напряжённость магнитного поля, Рис.1, (1.5).
Истоки парадокса – Максвелл распространил действие теоремы Остроградского-Гаусса на движущиеся заряды. Если мы хотим отразить установившиеся в электродинамике представления о принципе дальнодействия (поле H(r) в точке наблюдения r вне проводника инициируются только токами переноса этого проводника), то уравнение Максвелла (1.1) следовало бы записать в виде (1.6). Однако подобная запись не соответствует математической сущности дифференциального уравнения для точки на-блюдения r и вообще является неравенством. Для соблюдения математической строго-сти надо записать уравнение (1.2), однако укоренившиеся представления об индукции магнитного поля запрещают это – поле H(r) определяется только токами переноса jп(r').
1.5. Произвольный замкнутый или незамкнутый ток также обнаруживает аналогичные противоречия. Возможно, именно этими обстоятельствами объясняется тот факт, что в научной литературе повсеместно общепринята формальная запись уравнений Максвелла вообще без привязки их к конкретным координатам точки наблюдения в виде (1.7), что и придает им кажущуюся строгость и непротиворечивость. Именно подобными искусственными приемами и создается впечатление о законченности "прекрасного здания" электромагнетизма. Однако и в таком виде (1.7) уравнения Максвелла не лишены своей парадоксальной сущности. Можно показать, что для простейшего случая одиночного движущегося заряда обнаруживается еще ряд других не менее серьезных противоречий [7].
1.6. Токи смещеня
Согласно современным представлениям токи смещения представляют собой физическую реальность (без них невозможно понять работу даже простейшего конденсатора), с другой же стороны – это математическая формальность, с помощью которой сим-метризуются уравнения Максвелла [11, 12].
С одной стороны, магнитные свойства токов смещения принимаются эквивалентными магнитным свойствам токов переноса (они одинаковым образом входят в правую часть уравнений Максвелла), с другой – магнитные поля движущихся зарядов определяются только через токи переноса. Причина такой несимметрии кроется в том, что в электродинамике нет каких-либо приемлемых прямых методов решений уравнений Максвелла непосредственно через токи смещения.
Что же касается известного формализма решений уравнения Пуассона, к которому сводится система уравнений Максвелла, то этот формализм оказывается вообще не-применим к токам смещения. Если же при решении уравнений Максвелла для случая, например, одиночного движущегося заряда (с применением известного формализма штрихованных координат и ;-функции) все же попытаться учесть одновременно и токи смещения, и ток переноса, то для магнитного поля движущегося заряда получается удвоенное значение [7].
Напрашивается вывод, что магнитное поле движущегося заряда индуцируется либо одним током переноса заряда (по принципу дальнодействия) в предположении отсутствия какой-либо физической сущности у токов смещения, либо одними токами сме-щения (по принципу близкодействия) в предположении, что известные представления о токе переноса движущегося заряда формальны по существу и должны быть полностью исключены из уравнений.
Исследования этого вопроса показывают [7], что как с математической, так и с фи-зической точки зрения предпочтение следует отдать только токам смещения. Но наи-более удивительным при этом является то, что при попытках найти непосредственное решение уравнений Максвелла через токи смещения, обнаруживается необходимость допущения у движущегося заряда еще одного вида неизвестного ранее в науке маг-нитного поля.
2. Основные причины противоречий
Максвелл полагал, что поля существуют в материальной среде. Однако со временем, в связи с отказом в физике от любой модели среды, физическая сущность из уравнений Максвелла начала постепенно выхолащиваться. Физики вообразили, что
дело в самих уравнениях, а не в модели, с помощью которой они были выведены – от-бросим все строительные леса, которыми пользовался Максвелл, и мы придем к за-ключению, что прекрасное здание, созданное Максвеллом, держится само по себе.
Сам Максвелл, однако, указывал на наличие принципиальных трудностей в приме-нимости предложенных им уравнений электродинамики, например, к незамкнутым электрическим токам, отдельным элементам тока и т.д.
Противоречия пытались разрешить путём усложнения применяемых в электроди-намике формально-математических методов. При этом использовались все возможные средства математического формализма вместо того, чтобы корректным образом под-вергнуть анализу заложенные в электродинамике исходные предпосылки и представ-ления. При решении практических задач в классической электродинамике повсеместно используются чисто формальные методы допущений, ограничений, так называемых "дополнительных условий", "нормировок", "калибровок", штрихованных координат, формализма обезличивания и других атрибутов математического формализма.
3. Ограниченность уравнений Максвела
3.1. В пространстве около трансформатора выполняются условия Рис. 1, (3.1).
Однако вихревые электрические поля, в противоречии с этим, около трансформатора обнаруживаются.
3.2. Неясности с самим магнитным полем. Известно, например, что при решении конкретных практических задач основное уравнение электромагнитной индукции в интегральной форме (Рис. 1, (3.2)) находится в удовлетворительном согласии с результатами экспериментальных наблюдений только при определении результирующей ЭДС в замкнутом контуре, между тем как предсказываемое этим уравнением распре-деление вихревого электрического поля Е индукции вдоль отдельных сторон этого контура находится в явном противоречии с результатами экспериментальных наблю-дений [8].
3.3. Ограниченность известных представлений об индукции электрического тока в контуре. Если замкнутый контур из проводника пронизывается изменяющимся во времени "магнитным потоком" (например, от равномерно и прямолинейно движущегося около данного контура электрического заряда), то результирующая ЭДС в таком контуре оказывается равной нулю [9, 10].
4. Проблемы с векторным потенциалом
4.1. Определения вихревого электрического поля индукции Е с помощью поля вектор-ного потенциала А: Рис. 1, (4.1.). Действительное распределение вихревого электрического поля индукции Е вдоль сторон замкнутого контура легко устанавливается из простой зависимости Рис. 1, (4.2). Как это видно из (4.1), в случае равномерно и прямолинейно движущегося заряда оказывается равной нулю частная производная от А, вследствие чего как раз и отсутствует индукция тока в размещенном поблизости от движущегося заряда замкнутом контуре. Кроме того, формализм поля векторного по-тенциала А в записи (4.1) оказывается хорошо применимым для описания явления электромагнитной индукции тока в проводниках вне сердечника трансформатора, ибо вне сердечника при условии dH/dt = 0 реализуется условие dA/dt не равно 0. Следовательно, можно уже с достаточной достоверностью утверждать, что формализм поля векторного потенциала А в практическом отношении больше соответствует экспериментальным наблюдениям, чем введенный в электродинамику Максвелла формализм "магнитного поля" и "магнитного потока".
4.2. Определение понятия векторного потенциала
Классическая физика не дает однозначного ответа на вопрос, что представляет собой с физической точки зрения, векторный потенциал А магнитного поля. Неясно, на-пример, является ли поле А реальным физическим полем или представляет собой лишь удобный математический прием для описания магнитного поля Н? Постановка подобного вопроса вызвана еще теми известными странными обстоятельствами, что если не равному нулю значению магнитного поля Н в рассматриваемом пространстве всегда соответствует не равное нулю значение потенциала А во всех точках этого же пространства, то не равному нулю значению А в рассматриваемом пространстве не всегда соответствует не равное нулю значение поля Н во всех точках этого же про-странства. Реальность поля Н в рассматриваемом пространстве легко устанавливается по движущимся в нём зарядах. Аналогичной зависимости для поля А в физике пока нет.
Используемый в классической электродинамике формализм допускает произвол в выборе вектор-потенциальной функции. Одному и тому магнитному полю Н может соответствовать бесконечное множество полей векторного потенциала, Произвол в выборе векторного потенциала А допускается, в общем, и в квантовой механике, что еще более подчеркивает формальную нефизическую сущность векторного потенциала. Как в классической электродинамике, так и в квантовой механике считается, что физическую значимость может иметь только rot A, самому потенциалу А отводится вспомогательная роль. О физической значимости не равной нулю div A вообще речь не идёт.
4.3. Векторный потенциал А в квантовой механике
Если известно само "физическое" магнитное поле Н, то вроде бы нет необходимости обращаться к помощи "формального" потенциала А. Однако сам факт того, что в волновом уравнении Шредингера появляется только "формальный" векторный потенциал А, был очевиден с момента написания этого уравнения.
Предпринимались безуспешные попытки заменить "формальный" векторный потенциал А в уравнении квантовой механики "физическим" магнитным полем Н –безуспешно. Но в таком случае волновая функция, например, любого движущегося заряда в поле А должна отражать существование ощутимого взаимодействия движущегося заряда с этим полем и величина этого взаимодействия должна определяться, очевидно, величиной изменения потенциала А волновой функции.
В 1956 г. Ароновым и Бомом впервые была предложена методика экспериментальной проверки эффекта [6, с. 15-30]. В опыте предполагалось обнаружить изменение фазы волновой функции движущегося заряда при отсутствии и наличии в исследуемом пространстве поля векторного потенциала А, но при полном отсутствии в этом про-странстве магнитного поля. Эффект Аронова-Бома подтвердился. Положительные ре-зультаты соответствовали только однозначной величине потенциала А, сопоставляемой с однозначными же параметрами элементарного тока. Более прецизионный эксперимент, также подтверждающий эффект Аронова-Бома, был проведён японскими физиками [11], которые использовали сверхминиатюрный тороидальный намагниченный магнитопровод – в пространстве около него практически не было обычных магнитных полей.
4.4. Проблема произвола в выборе потенциала А
Таким образом, с одной стороны, реальность существования поля векторного по-тенциала А и однозначность его величины можно считать вроде бы экспериментально доказанными. Можно считать экспериментально доказанным также, что существует однозначное взаимодействие поля векторного потенциала с движущимся в нем элек-трическим зарядом. Но как же быть с произволом в выборе А, используемом при ре-шении уравнений Максвелла? Как быть с самим формализмом "магнитного поля"? [6, 11-14].
Можно показать [7, 8, 15], что укоренившиеся в электродинамики формальные представления о "магнитном поле" и "магнитном потоке" приводят еще и к ряду дру-гих, не менее серьезных трудностей и противоречий. Особенно много парадоксов обусловлено тем, что используется только одно векторное поле H = rot A, при явном игнорировании другого магнитного поля H; = —div A.
5. Электродинамика без магнитных полей
5.1. Гипотезы магнитного поля и обычного взаимодействия электрических зарядов
В свое время Ампер, Гроссман, Гаусс, Ленц, Нейман, Вебер, Риман и др. стояли на точке зрения, что, любые взаимодействия можно свести к обычным взаимодействиям токовых элементов или движущихся зарядов. Другая группа учёных (в частности, Фарадей и Максвелл) исходила из следующих посылок:
- реальное пространство пусто;
- скорость распространения электрических возмущений в нем бесконечна;
- электрические поля движущихся зарядов никакой деформации не подвержены;
и для согласования с результатами экспериментов пришла к необходимост ведения нового силового фактора – магнитного поля.
5.2. Доказательство ложности гипотезы о магнитном поле
Исходя из изложенного выше, предлагаю читателю провести следующий предельно простой мысленный эксперимент.
Представим себе в некоторой системе отсчёта два неподвижных электрических заряда q и q0. В покое между ними действуют только кулоновские силы.
Устремив куда-нибудь равномерно и прямолинейно заряд q, мы увидим, что на по-коящийся заряд q0 стала действовать какая-то дополнительная сила. С точки зрения современной электродинамики эта сила обусловлена действием возникшего при дви-жении заряда q магнитного поля – некоего материального объекта, простирающегося в простанстве на большие расстояния и обнаруживаемого, в частности, с помощью маг-нитного диполя. Одно время физики даже усиленно искали его кванты – монополи, предсказанные Дираком. Не нашли.
Не трогая заряд q, придадим заряду q0 ту же скорость и сразу же увидим, что между зарядами, как и в исходном состоянии, действует только сила Кулона. Магнитное поле из пространства исчезло, хотя заряд q всё также в нём летит и летит.
Значит, магнитное поле – фикция, фантазия, явившаяся плодом неверных посылок о природе взаимодействия электрических зарядов.
Заключение
Вряд ли можно отрицать, что ошибочные и ограниченные представления о "маг-нитном поле" в электродинамике Максвелла, за более чем вековой период своего гос-подства, не сыграли свою определенную положительную роль в научном прогрессе. Однако каковы были бы результаты этого прогресса, если бы в свое время восторже-ствовала более реалистическая точка зрения на динамические электрические взаимо-действия, просто невозможно вообразить.
Пройденный в электродинамике путь во многом придется пройти заново. Статика и динамика электрических зарядов должна учесть гравитационное поле Земли [16,17, 25-30]. Необходимость учета асимметричных физических свойств реального около-земного пространства подтверждается и результатами анализа оптических и электро-динамических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли.
Источники информации
1. Г.В. Николаев СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ПРИЧИНЫ ЕЕ ПАРАДОКСАЛЬНОСТИ.
2. "Безумная теория? До нее еще далеко. "// Знание-сила. – №11/1978, с. 24.
3. Техника молодежи. – №12/1968, №8/1969, №12/1974, №1/1974, №3/1982, №1/1984.
4. Техника и наука. – № 2, 10, 11/1983, №1/1984.
5. Изобретатель и рационализатор. – №2/1982, №6/1981, № 10/1982, №2/1984.
6. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Кн. 6. – М.:Мир, 1977.
7. Николаев Г.В. Токи смещения и радиальное магнитное поле движущегося заряда/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1979. – Деп в ВИНИТИ, рег. № 3487-78.
8. Николаев Г.В. IV. Обоснование реальности существования аксиального магнитного поля движущегося заряда/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1979. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 528-79.
9. Николаев Г. В. VIII. О природе вихревых градиентных электрических полей дви-жущегося заряда. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 5812-85.
10. Николаев Г.В. VI. Системы уравнений для вихревых электрических полей равно-мерно и ускоренно движущегося заряда/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1980. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2665-80.
11. Наблюдение эффекта Аронова — Бома // Природа. — 1983. — № 7. — С. 106.
12. Данос М. Эффект Аронова — Бома, квантовая механика электрического транс-форматора// Физика за рубежом. Сер. Б. — М.: Мир, 1984. — С. 100—105
13. Родимое Б.Н. К теории эффекта Аронова — Бома. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2931-80.
14. Солунин А.М. R—электродинамика и эффекты векторного потенциала. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 5416-85.
15. Николаев Г.В. V. Система уравнений для аксиального (скалярного) и радиального ( векторного) магнитных полей движущегося заряда / Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1980. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2664-80.
16. Николаев Г.В. Законы механики и электродинамики околоземного пространства. Кн. 1. — С. 541 (НИР. — Гос. регистр. № 74007254, Б324555отУ. 1974г.).
17. Николаев Г.В. Границы применимости классической и релятивистской электроди-намики в околоземном пространстве. Кн. 2. — С. 164 (НИР. — Гос. регистр. № 74007254, Б340882 от X. 1974 г.).
18. Николаев Г.В., Окулов Б.В. Об инерционных свойствах электронов/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1978. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 4399-77.
19. Ампер А.М. Электродинамика. — М: АН СССР, 1954.
20. Алешинский В.Г. К вопросу о формуле электродинамического воздействия токо-вых элементов// Изв. вузов. Электромеханика. — 1980. — №4.— С. 431 —434.
21. Синельников Е.М., Синельников Д.Е. Пондеромоторное взаимодействие двух эле-ментарных тел в квазистационарном магнитном поле // Изв. вузов. Электромеханика. — 1976. —№1. — С. 13—18.
22. Синельников Д.Е., Синельников Е.М. Формулы для определения силового взаимо-действия токовых элементов// Изв. вузов. Электромеханика. — 1978. — №3. — С. 227 — 235.
23. Гейд В. В. Конформный вариант уравнений Максвелла и Лоренца. — Новоси-бирск, 1985/ Препринт СО АН СССР № 588.
24. Солунин А.М. К—электродинамика// Межвузовский сборник ИвГУ, Иваново, 1982. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3908-82.
25. Николаев Г.В. О законах электродинамики и оптики во вращающихся относитель-но Земли системах отсчета/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1975. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2911-74.
26. Николаев Г.В., Окулов Б.В. К вопросу об экспоненциальном обосновании принци-па относительности/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1975. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3064-74.
27. Николаев Г.В. Парадокс Фейнмана и асимметрия лабораторной и движущейся сис-тем отсчета/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1975. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 1937-75.
28. Николаев Г.В. Эффект Холла и асимметрия лабораторной и движущейся систем отсчета/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1975. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2507-75.
29. Николаев Г.В. Об ограниченности методов классической и релятивистской элек-тродинамики в условиях на поверхности Земли/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1976. — Деп. в ВНИТИ, рег. № 3277-75.
30. Николаев Г.В. О проверке фундаментальных соотношений на ИСЗ/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1976. —Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3429-75.
11.12.2014