МИР ЕН-Антенн


Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.

Эта статья не совсем касается ЕН антенн, но заставляет задуматься о физических принципах, на которых базируется современная электродинамика. Статья написана в 2004 году, ныне покойной Ильиной Екатериной Апполоновной. Многие положения, затронутые в этой статье, спорные, тем не менее можно надеяться, что статья заставит задуматься о формировании электромагнитных полей и работе антенн.

Светлой памяти талантливого человека
и обаятельной женщины, Ильиной Е. А.
посвящается.

Подтверждаются ли уравнения Максвелла экспериментами?
(статья написана в 2004 году и публикуется в оригинале впервые.)

Ильина Екатерина Апполоновна

(1959 - 2005)

Основному заблуждению современной теоретической физики - более 130 лет, И заключается оно в том, что магнетизм может переходить в электричество (а электричество - в магнетизм) непосредственно в вакууме, то есть, без участия частиц (например, электронов).
Математически это сформулировано в уравнении Максвелла (двух первых). Поэтому вспомним историю их создания, Началось все с открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции. Фарадей установил, что при изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в контуре возникает индукционный ток. Причем, ток возникал и в случае относительного движения проводящего контура и магнита, и в случае неподвижного контура, когда переменный магнитный поток создавался переменным током от близко расположенной катушки. Фарадей не пытался строить гипотез, объясняющих открытый им закон. Это сделал Максвелл, выдвинув гипотезу, вполне логичную для своего времени.
А в то время было известно следующее: ток в проводнике представляет собой движение электрических зарядов, и электрические заряды могут двигаться под действием электрического поля. В те времена ничего еще не было известно ни об электронах, ни о силе Лоренца (как о силе, действующей со стороны магнитного поля на движущиеся заряженные частицы, в частности, электроны). Поэтому Максвелл предположил, что при изменении магнитного поля в некоторой области, возникает вихревое электрическое поле, силовые линии которого перпендикулярны силовым линиям магнитного. Это вихревое электрическое поле и двигает электрические заряды в контуре, создавая тем самым индукционный ток. Причем, у Максвелла не имело значения, за счет чего менялось магнитное поле: за счет движения магнита или за счет переменного тока в неподвижной катушке. Так возникло уравнение:

Со временем, однако, выяснилось, что при движении проводников в магнитном поле, индукционный ток возникает благодаря силе Лоренца, действующей со стороны магнитного поле на электроны в проводнике (Разумеется, Максвелл ничего не знал ни про электроны, ни про силу Лоренца). Так что, по крайней мере, для этого случая, нет необходимости привлекать вихревое электрическое поле для возникновения ЭДС индукции. Посмотрим, что написано по этому поводу в одном из наиболее солидных учебников по электричеству и магнетизму (Сивухин Д.В, Общий курс физики, т.З, параграф 66)
«Когда проводник движется в постоянном магнитном поле, индукционный ток вызывается магнитной составляющей силы Лоренца

Какая же сила возбуждает индукционный ток в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле? Ответ был дан Максвеллом. Согласно Максвеллу, всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Последнее, и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. На самом же деле, возникновение индукционного тока в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле так же может быть объяснено с помощью силы Лоренса, без привлечения пресловутого вихревого электрического поля. Приведем следующее рассуждение: Рассмотрим квадратный контур в магнитном поле.

Пусть поле в момент t1 имеет значение B1, Электроны в проводнике движутся по круговым траекториям (или спиральным траекториям), причем радиус закручивания зависит от v/В где v - скорость электрона (в данном случае скорость теплового движения), а В - величина магнитного поля.

При направлении В «к читателю», электроны будут закручены, как показано на рисунке.
Если поле В неизменно, то количество электронов, продвигающихся вдоль контура одинаково в обе стороны и тока нет. Предположим, что поле В увеличилось. Радиус закручивание уменьшился. На прямых участках опять все усреднится, но на уголках контура эффект проявится следующим образом. За счет уменьшения радиуса закручивания электроны на внутренних уголках быстрее будут преодолевать поворот налево. На внешних же углах такого эффекта не будет. Поэтому при увеличении магнитного поля В появится преимущество направления движения электронов против часовой стрелки тем сильнее, чем сильнее будет изменение поля В, т.е. возникнет индукционный ток. Направление этого тока таково, что создаваемое им магнитное поле будет направлено от читателя, т.е. будет компенсировать возрастание поля В.
Таким образом, в такой простой модели, направление индукционного тока получается правильным, т.е. соответствующим правилу Ленца. И так мы видим, что и в случае неподвижного контура, в переменном магнитном поле нет никакой нужды привлекать вихревое электрическое поле для объяснения возникновения индукционного тока. Других же экспериментальных свидетельств в пользу того, что при изменении магнитного поля, в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле не существует. Обратимся теперь к другому уравнению Максвелла

утверждающему, что магнитное поле порождается переменным и движущимся электрическим нолем. Что касается первого члена,

то он является обобщением закона Био-Саварра о том, что вокруг проводника с током существует магнитное поле определенной конфигурации (Сам по себе этот факт ничего не говорит о причине возникновения магнитного поля). Обобщение состоит в предположении, что магнитное поле порождается при движении электрических зарядов (то есть при движения в пространстве электрических силовых линий) Это предположение так же требует экспериментальной проверки, которая сводится к регистрации магнитного поля так называемого конвекционного тока. Ниже мы вернемся к обсуждению этих экспериментов, проводившихся в конце XIX века (вплоть до 1903г.), когда причина возникновения магнитного поля еще не считалась столь очевидной как сейчас. Второй член

был введен в уравнение Максвеллом чисто гипотетически (т.е. без привлечения каких-либо экспериментальных наблюдений). Это так называемый «ток смешения», который Максвелл ввел для того, чтобы полный ток (ток проводимости + ток смещения был всегда замкнутым). Предположение о том, что ток смещения порождал магнитное поле, было сделано Максвеллом, видимо, по аналогии с предположением, что

порождает электрическое поле, и не опирается на какие-либо экспериментальные и данные. И даже теперь, когда техника эксперимента сделала головокружительные успехи, никто не поставил эксперимент, подтверждающий, что ток смещения создает магнитное поле. То есть, уже более 130 лет эта гипотеза остается непроверенной!

Теперь посмотрим, как обстоят дела с экспериментальной проверкой гипотезы о том, что магнитное поде создается при движении электрических зарядов, В конце XIX в. Это положение отнюдь не считалось непреложной истиной (как в наше время) и широко дискутировалось. Экспериментальная проверка этой гипотезы сводилась к измерению магнитного эффекта конвекционного тока, т.е. тока, создаваемого перемещением заряженных макроскопических тел (в отличие от тока кондукционного, создаваемого микроскопическими носителями внутри проводника. О структуре и особенностях этих носителей можно лишь делать предположения.
Все тот же Максвелл предложилэксперимент в этом направлении: взять диэлектрический диск, зарядить его поверхность и раскрутить. Приращение магнитного поля (если такое возникнет) и замерять прецизионным магнитометром на фоне земного поля. Расчеты показали, что реально достижимое в этом случае приращение магнитного поля составляет порядка 1 миллионной от величины земного поля, т.е. эксперимент уже обещал быть нелегким.
Впервые эксперимент такого рода был осуществлен Роуландом. Однако эксперимент Роуланда не вполне соответствовал схеме Максвелла, так гак вместо полностью диэлектрического диска, Роуланд использовал эбонитовый диск с металлическим ободком, который заряжался с помощью скользящих контактов. Роуланд получил положительный эффект, хотя и не смог его измерить. Далее, другие авторы повторяли аналогичные эксперименты. Которые, однако, давали весьма противоречивые результаты (отличный исторический обзор этих экспериментов дан Эйхенвальдом в его диссертации 1903 г.).
Например, Кремье. применивший оригинальную методику с использованием переменного заряда, получал сплошь отрицательные результаты. При этом ни один автор не проводил эксперимента с диэлектрическими заряженными телами, как это планировалось Максвеллом. Последним экспериментом, такого рода, была работа Эйхенвальда в 1903г. Однако в те времена не было еще известно ни об электронах, как носителей тока в проводнике (теория электрона Лоренца появилась только в 1905г.), ни о том, что электроны обладают собственным магнитным полем (опыты Штерна-Герлаха по обнаружению магнитного момента электрона, связанного в атоме, были проведены в 1919г.). Позднее, в 1926г., этот магнитный момент объяснили собственным вращательным моментом электрона.

Итак, нет ни одного экспериментального факта, подтверждающего каждое из первых двух уравнений Максвелла. Академик Тамм пишет по этому поводу, что уравнения Максвелла по отдельности не могут быть проверены экспериментально, но только как вся система в целом. Правда он при этом не пишет, что является этой проверкой системы в целом. Считается, что сам факт существования радиоволн является подтверждением теории Максвелла. Существующая модель «электро-магнитной волны», распространяющейся в однородном диэлетрике (например, в вакууме) предполагает, что волна распространяется за счет того, что переменное электричеекое поле порождает переменное магнитное, а маганггаое, в свою очередь - переменное электрическое. Это предположение, кстати, дало ученым повод отказаться от эфира - сплошной, сверхупругой среды, в которой распространяются колебания, представляющие собой световые и радио волны, а теория эфира и поперечных колебаний в нем с успехом применялась для объяснения всех эффектов, связанных со светом: интерференции. дифракции, преломления и т.д.
Однако обратим внимание, что единственной вразумительной моделью излучения радиоволны является модель Герца излучения простейшего электрического диполя (см. рисунок). В модели Герца, предполагается совсем другой механизм распространения волны, чем взаимное порождение электрического и магнитного полей. Этим механизмом является взаимное отталкивание однонаправленных силовых линий (электрических в случае электрического излучателя). Благодаря этому электрические петли, образованные в предыдущих циклах колебаний диполя, отталкиваются вновь образованными петлями, и электрическая волна тем самым распространяется в пространстве все дальше от источника. Длина волны, при этом, как и положено - расстояние, на которое распространяется возбуждение за один период колебаний. О магнитном поле в модели Герца вообще не упоминается, то есть оно не играет вообще никакой роли в распространении волны. Никакой вразумительной модели излучения радиоволны, основанной на взаимном порождении электрического поля магнитным (и наоборот), не существует.
Отметим, что на это свойство взаимного отталкивания однонаправленных силовых линий указал Фарадей. Это свойство является общим для электрического и магнитного поля и лежит в основе всех механизмов отталкивания (электрического и магнитного). Например, два одноименных заряда отталкиваются именно своими силовыми линиями, равно как одноименные полюса двух магнитов. Фарадей назвал это свойство «боковым давлением». Он же указал на другое свойство силовых линий, одинаково присущее электрическим и магнитным линиям. Они стремятся сократиться, если есть такая возможность.
И вот это свойство лежит в основе механизма притяжения (электрического и магнитного). Этими двумя свойствами объясняются все эффекты в электростатике и магнитостатике и, как видим на примере модели Герца, - и в электродинамике.

Здесь нелишне упомянуть, что задолго до написания знаменитых четырех уравнений, Максвелл немало приложил усилий к тому, чтобы математически описать два этих свойства силовых линий, открытых Фарадеем. Однако это ему не удалось. Дело в том, что он пытался моделировать «боковое давление» с помощью вихрей жидкости соответствующей центробежной силы. Методически это неправильно, так как означает попытку моделировать первичную субстанцию эфир (и натяжение в нем — силовые линии) с помощью вторичных или даже третичных, то есть частиц, которые сами представляют собой возбуждение этого эфира, но более оформленных. Так что не удивительно, что эта попытка была обречена на провал. А знаменитая система уравнений Максвелла является паллиативом (то есть тем, что все-таки удалось сформулировать математически). Но этот паллиатив, как видам, отнюдь не получает экспериментального подтверждения. Зададимся вопросом, можно ли хотя бы косвенно проверить уравнения Максвелла. Такая возможность есть, хотя, почему-то нигде в учебниках и энциклопедиях не упоминается об экспериментах такого рода. Такой проверкой могло бы быть, измерение величины электрической и магнитной компонент поля я свободной волне, распространяющейся в однородном диэлектрике (например, в воздухе). Для этого случая система уравнений Максвелла дает при решении точное соотношение между Е и Н.

Где: ZB – волновое сопротивление диэлектрика. в воздухе:

Для вакуума эта величина равна в системе СИ =377 Ом и называется «волновым сопротивлением вакуума», хотя и не имеет физического смысла сопротивления. При современном развитии экспериментальной техники, выполнить эксперимент по измерению Е/Н в свободной волне (излучаемой, например, электрическим простейшим вибратором) не представляется слишком сложным. Необходимо только проводить измерения на высоте 2- 3 длин волн от земли, чтобы избежать ее влияния. Поэтому целесообразно использовать УКВ диапазон.

01.10.2004

опубликовано: 06.2007г.