Заметка написана по материалам страницы К.Б. Канна «Магнитное поле: свойства и парадоксы» [1]. Из неё же взяты все формулы и рисунки. Цитаты из Поля даются без ссылки на источник, мои замечания предварены двумя прямыми слешами. Полный текст заметки можно прочитать на моём сайте http://www.irgeo1.ru
Современные представления о магнитном поле, считает К.Б. Канн, непоследовательны и противоречивы, неверно отражают участие магнитного поля в различных процессах и приводят к множеству «парадоксов».
1. Эволюция понятий о электрических и магнитных полях
Понятия об электрическом и магнитном поле появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. Фарадей, а затем и Максвелл ввели их, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. Поля мыслили как деформации эфира, которому предписывали странные и противоречивые свойства. В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию.
Благостная картина была разрушена в начале 20-го века с появлением СТО Эйнштейна. Понятие эфира исключили из научного обихода, и мировое пространство оказалось абсолютно пустым. Чеширский кот исчез, но осталась его улыбка – взаимодействие между полями. Чтобы сохранить СТО, поля пришлось «материализовать». Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами реальных объектов.
2. Понятие вихревого магнитного поля
Магнитное поле в некоторой точке пространства является вихревым [1], если в ней плотность тока j ; 0. В уравнении для rot B все величины определяются в одной точке пространства. Математика это позволяет, реально же индукция определяется этим уравнение в сколь угодно малой окрестности точки, но, конечно, же не в ней самой.
Стационарное магнитное поле создаётся, в частности, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. Внутри провода поле не определено, а снаружи имеет безвихревой характер и ослабевает с удалением от него. Вместе с тем отсутствие магнитных зарядов (div H = 0) не позволяет ему быть и потенциальным. «Что же это за странный объект, который не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля?».
3. Два механизма взаимодействие магнитного поля с электрическими зарядами
Ампер обнаружил силовое действие магнитного поля на провод с током в 1820 году. Анализируя результаты его работ, Лорентц построил теорию взаимодействия магнитного поля с одиночными зарядами. Для силы воздействия магнитного поля с индукцией B на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v, была найдена формула FL= q[v, B] (1)
Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как эта. Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то, говорят, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может //Не только может, но и совершает. Чтобы удержать частицу на круговой орбите нужно всё время «подталкивать» её к центру, затрачивая на это какое-то количество энергии. Неясно и многое другое, в частности: природа пондеромоторных сил (сил взаимодействия между проводами с токами) и природа самой силы Ампера, работающей во всех электродвигателях.
3.1. Попытка разрешить противоречие
Ситуацию пытались прояснить в [2]: «... 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 сила Лоренца представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью движения проводника. Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода».
«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 v1 движется проводник. Чтобы создать ЭДС, нужно переместить электроны на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: возникает противоречие с зависимостью (1). //Я бы не стал возражать против точки зрения «Савельева». Механическое перемещение проводника приводит к появлению двух сил Лорентца – одна разделяет заряды «вправо-влево», другая через возникший ток препятствует перемещению проводника.
3.2. Классический механизм действия магнитных полей на заряды
Заявляя, что «существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле», Канн рекомендует использовать представления основоположников электродинамики и цитирует Максвелла:
«<Фарадей> открыл, что в среде <содержащей поле> имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению верёвки, в направлении силовых линий, соединённом с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных» [3].
В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как натяжение силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Оставаясь в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли посредника, который передаёт усилие от внешнего поля заряду.
Замена силы Лоренца силой магнитного давления – лишь косметический ремонт модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Один из них - выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.
4. Есть ли структура у магнитного поля?
Явление ЭМИ объясняют с помощью двух моделей – Максвелла и Фарадея. В модели по Фарадею магнитное поле мыслится в виде определённой структуры, задаваемой силовыми линиями. Максвелл же считал магнитное поле бесструктурным объектом. Одним из его сторонников был академик И.Е. Тамм. Критикуя «механизм пересечения», Тамм утверждал: «… 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]. Следует заметить, что такая точка зрения не помешала в своё время «материализовать» магнитное поле, присвоив ему массу, импульс и прочие свойства материального объекта.
Механизм ЭМИ по Максвеллу оказался неспособным объяснить известные парадоксы электродинамики, например, Геринга и Фарадея. Поэтому следует использовать механизм пересечения.
5. Магнитное поле в космосе
Большинство «парадоксов» электромагнитной индукции связано с идеей взаимодействия полей. Механизм пересечения предполагает участие заряженных частиц. По СТО Эйнштейна ЭМВ распространяются в пустом пространстве. Допустим. Но тогда возникает вопрос – как в пустоте образуется ток, создающий магнитное поле, – одну из составляющих электромагнитных волн? Релятивисты предпочитают об этом помалкивать, как и о множестве других чудес и фантазий.
Источники информации
1. Канн К.Б. Магнитное поле: свойства и парадоксы.
http://electrodynamics.narod.ru/magnetic-field.html
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1978. – С. 177.
3. Максвелл Д.К. Статьи и речи. – М.: Наука, 1968. – С. 59.
4. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учебное пособие для вузов. – М.: Физматлит,
2003. – С. 546.
Опубликовано: 29.05.2020