Так что же это такое магнитное поле?
| Вид материала | Учебник |
- Пятая тема. Предпосылки возникновения теории относительности. Законы электродинамики, 513.06kb.
- Урок по физике на тему: "Магнитное поле". 8-й класс, 123.92kb.
- Вопросы к зачету по темам: «Магнитное поле», «Электромагнитная индукция», 22.6kb.
- Электромагнитное поле и его влияние на здоровье человека, 460.04kb.
- Электромагнитное поле и его влияние на здоровье человека, 399.9kb.
- Что влияет на магнитное поле Земли, 38.34kb.
- Магнетизм Магнитное поле, 26.34kb.
- Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 48.45kb.
- Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 84.18kb.
- Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 53.53kb.
ссылка скрыта
Разгадка магнетизма
Владимир Ерохин
Так что же это такое - магнитное поле?
Доктор физ-мат. наук Руднев А.Д:
«Из года в год, из учебника в учебник переходят, например, такие «законы»: «Вокруг проводника с током формируется вихревое магнитное поле…».
А где физика? Почему формируется магнитное поле? Почему именно вихревое и что значит магнитное?»
Руднев прав, в классической теории магнитное поле волшебным образом "возникает" при движении зарядов. Столь высоконаучное объяснение удовлетворяет математиков, именующих себя физиками, но многим физикам не нравится фраза "на все есть воля божья", они хотят знать - откуда и каким образом это поле "возникает" при взаимном движении и куда оно исчезает в статике.
Попробуем объяснить магнетизм без привлечения какой бы то ни было псевдонаучной мистики, вроде мифических магнитных монополей или гипотетических эфирных вихрей, а на основе имеющихся знаний.
Классическая ЭД пляшет от эмпирических уравнений Максвелла, подобранных так, чтобы удовлетворять опытам Ампера и Фарадея. Очевидно, что эти уравнения описывают следствия неких причин. И в классической теории эти причины выводятся уже из уравнений Максвелла, - из следствий. Такой подход в принципе чреват ошибками. А в данном случае положение усугубляется еще и тем, что эмпирические уравнения выведены из опытов Фарадея с токами, где скорость зарядов на 12-15 порядков меньше скорости света. Затем из уравнений Максвелла выводятся их причины, - потенциалы и поля зарядов, движущихся с ничтожной скоростью, а выводы, результаты, - распространяются на релятивистскую область.
К тому же опыты Фарадея охватывали только ряд простейших случаев, в результате чего уравнения Максвелла приводят к нарушению 3-го закона Ньютона в случае незамкнутых токов, к неверным численным результатам в случае неоднородного потока магнитной индукции через площадь контура, и многим другим противоречиям, о которых избегают упоминать в учебниках.
Конструктивная электродинамика исходит не из следствий, а из причин, - из движения зарядов.
Ниже - краткий пересказ - конспективно, без выкладок, суть "загадочного" магнетизма:
Поскольку магнитное поле создается движущимися зарядами, то и следовать оно должно из уравнений поля движущихся зарядов.
Ток – это направленное движение отрицательных зарядов нейтрального в целом проводника, а поле движущегося заряда отлично от его статического поля, поэтому отрицательное и положительное поле каждого из элементов тока в точке Р вне проводника, в один и тот же момент t, различны по модулю и направлению, хотя в статике они равны и противоположны:
Рис.2-1.
В результате поле элемента тока не радиально, каждый элементарный участок тока представляет собой диполь, и создает электрическое поле, несмотря на свою нейтральность в статике (запаздывающие координаты положительного и отрицательного зарядов совпадают, текущие, естественно, нет - поскольку запаздывание НЕ является функцией скорости).
Рис.13-1.
Поле кинетического диполя (поля элемента тока) отличается от поля статического диполя, линии его поля круговые (рисунок выше). Убывает это поле пропорционально квадрату, а не кубу расстояния.
Векторы дипольного поля элемента тока образуют правильный круг по той причине, что угол между вектором поля и радиусом равен углу между радиусом и вектором скорости:
Рис.14-1.
В каждой точке вне тока векторы поля от различных его участков будут расположены под углом 2a к току (рис. внизу слева), и суммарное поле всех элементов бесконечно длинного прямого тока будет представлять собой нейтральную розетку векторов поля (внизу справа).
Следствием равенства углов между вектором поля и радиусом, и между радиусом и вектором скорости (рис.14-1), является то, что интегральное поле замкнутого тока любой конфигурации равно нулю. Эта особенность поля кинетического диполя тока обеспечивает нейтральность тока.
Поскольку интегральное поле тока равно нулю, то эмпирическая теория считает, что его попросту нет.
Это не совсем верно: отсутствие всякого поля и наличие множества компенсирующих друг друга полей - далеко одно и то же. ***
Убедимся в том, что между "отсутствием" и "наличием" разница есть.
Интегральное поле тока равно нулю только в неподвижной системе отсчета и только в случае постоянного токе.
При относительном движении нейтральность латентного поля тока нарушается. Дипольное поле элемента тока не радиально, а вектор скорости наблюдателя направлен под разными углами к различным элементам тока, поэтому поля разных участков тока в движущейся системе отсчета меняются по-разному. Приросты векторов поля в движущейся системе отсчета показаны ниже (чтобы не загромождать, показаны только три вектора из всей розетки векторов поля):
При интегрировании продольные компоненты прироста поля компенсируют друг друга, тогда как поперечные – складываются, так, что в итоге интегральное поле направлено перпендикулярно вектору скорости - возникают силы Лоренца.
Тот же эффект будем иметь и при движении источника «магнитного» поля.
В итоге из якобы "несуществующего" латентного поля тока рождается поле вполне реальное, обеспечивающее силы Лоренца (рис. ниже).
Однако поле это существует только в движущейся (относительно тока) системе отсчета, а для статического наблюдателя его нет.
Вот вкратце и вся сущность "тысячелетней загадки" магнитного поля, которая заключается в том, что никакого магнитного поля в природе не существует. Магнитное поле тока - это его упорядоченное электрическое поле тока, нейтральное в статике. При изменении тока или при относительном движении баланс нейтральности нарушается - вот и весь принцип магнетизма. Магнитные взаимодействия являются проявлением центральных (радиальных) электрических полей неподвижных положительных и движущихся отрицательных зарядов тока.
Абстрактное представление об аксиальном магнитном поле дает такие же численные результаты, как и реальное электрическое поле зарядов тока – в противном случае теория Максвелла-Лоренца не могла бы существовать.
Но эти результаты держатся на подмене интеграла от одной из компонент полей движущихся зарядов численно равным фиктивным вектором магнитного поля, а векторное умножение удачно компенсирует ошибки, возникающие от того, что берется вектор скорости вместо его проекций. В результате эмпирическая теория имеет известные противоречия, и исключается всякое понимание причин и механизмов электромагнитных явлений.
Ток - это движение зарядов, и эти заряды не могут не взаимодействовать с другими зарядами, в природе действуют реальные поля, а не аксиальные абстракции.
Корректные представления не только внятно описывают силы Лоренца, индукцию-самоиндукцию, излучение, и т.п., не только избавляют теорию от многочисленных внутренних противоречий, но и легко справляются с теми электромагнитными явлениями, которые эмпирическую теорию ставят в тупик (индукция Мейсснера, трансформатор Зацаринина, опыты Каравашкина и т.п.)
Выше рассмотрено магнитное поле прямого тока.
В случае витка, или тока любой другой конфигурации, изменяется только распределение векторов поля элементов тока, но интегральное поле всегда равно нулю (если ток замкнут). В движущейся системе отсчета (или при движении самого проводника с током) поле тока любой конфигурации меняется так, что прирост поля обеспечивает перпендикулярные силы Лоренца - опять же, только в случае замкнутого тока (что для постоянных токов выполняется всегда), и только в случае малых скоростей зарядов и токов. В общем случае силы Лоренца не перпендикулярны вектору скорости.
В эмпирической теории магнитное поле заряда следует из уравнений Максвелла, обобщающих зависимости, найденные для протяженного линейного тока, что совершенно неправомерно.
Магнитное поле тока - функция интегральная, отдельно движущийся заряд не может иметь такое же поле, как и протяженный линейный ток.
В случае отдельно движущегося заряда его "магнитное" поле представлено одним-единственным вектором прироста поля заряда. Классическое магнитное поле движущегося заряда представляет собой поперечную компоненту этого прироста, повернутую на прямой угол и деленную на скорость света - чтобы затем умножать на v, а не v/с (продольную компоненту эмпирика относит к электрическому полю).
Реальное поле тока в движущейся системе отсчета равно интегралу от (v/c)dE, , где должны браться проекции скорости v. Сама же величина поля участка тока dE пропорциональна (u/c)dE, где u – скорость носителей тока, dE – заряд участка тока.
Интегральное поле тока просто и естественно объясняет явления индукции и самоиндукции, излучения, устраняет известные противоречия эмпирики, имеет несколько более широкую область применения, и не приводит к противоречиям, как приближенные уравнения Максвелла.
Эмпирические уравнения искажают реальные процессы и не позволяют дать физически осмысленную интерпретацию электромагнитных явлений, хотя и позволяют получать численно верные результаты в ограниченной, но достаточной для практики области.
Становится понятным одно из главных противоречий теории, о котором стараются не упоминать, - почему в электромагнитной волне электрическая и "магнитная" компоненты поля меняются синфазно, а не генерируют друг друга, как того требуют уравнения Максвелла. Для взаимной генерации необходим сдвиг фаз на четверть периода, но его в электромагнитной волне нет. Синфазность означает нарушение сохранения энергии: если любая волна существует за счет последовательной "перекачки" кинетической энергии в потенциальную, и наоборот, то электромагнитная волна нарушает все законы, и учебники старательно обходят этот неудобный момент. Интегральная форма закона сохранения энергии в электромагнитном поле позволяет создать видимость благолепия, и хотя грубое противоречие заштопано белыми нитками, в непротиворечивость электродинамики Верят.
"Магнитная" компонента электромагнитной волны - это форма записи ее электрической компоненты (B = E/c). В волне на четверть фазы сдвинуты векторный потенциал и электрическое поле. Изменение векторного потенциала во времени – это (с учетом скорости света) изменение скалярного потенциала в пространстве, электрическое поле. Вот только существующее представление о векторном потенциале требует существенных поправок. Хотя, в эмпирической теории вообще нет никакого представления ни о векторном, ни о скалярном потенциалах - на то она и зовется эмпирической, что вслепую подобранные уравнения оперируют символами без понимания их физического смысла.
В действительности, никто и никогда не измерял магнитное поле непосредственно, хотя воображают, будто делают это. Прибор измеряет только токи, реакцию электронов на внешнее воздействие, а реакция всегда вызвана электрическим полем E = v x B, где "магнитное" поле B - как и всякий аксиальный вектор - условность, косвенно отражающая реальные поля тока. Численно интеграл от (dE/c) равен «магнитному» полю B (здесь поперечные компоненты dE). Физически осмысленная форма записи формулы Лоренца для участка тока имеет вид (упрощенно, схематично): ∆dE = (uv/c2)dE . Интегральное поле всех участков даст силы Лоренца.
В эмпирической теории берется не относительная скорость v/c, от которой зависит прирост поля, а абсолютная скорость v. А на потерянную скорость света делится поле E, и представляется как "магнитное" поле: E/c = B. Точно так же, за счет абсолютной скорости зарядов вместо относительной, скорость света дважды потеряна в формуле Ампера, а потерянный квадрат скорости света - чтобы восстановить нарушенные размерность и численный результат - стал коэффициентом между электрической и магнитной постоянными. (Затем из этих постоянных обратно "получили" потерянную скорость света, но уже как некое откровение свыше, теория стала именоваться "изначально релятивистской").
Магнитные монополи или какие-нибудь вихри для объяснения магнетизма, как видим, не понадобились. Монополи могут существовать только в формальной науке, где защитники диссертаций и соискатели премий подменили поиск причин физических явлений математическими абстракциями.
Да и уравнения Максвелла утверждают, что дивергенция магнитного поля равна нулю (для не физиков дословный перевод на русский: «магнитных зарядов не существует»). Еще Ампер заявил: «Магнетизма нет, есть одно электричество» (1820 год), и предупреждал, что введение в физику магнитного поля запутает простые вопросы и уведет физику в сторону. Так оно и случилось.
Описанный механизм электромагнетизма, как интегральнго электрического взаимодействие зарядов, дает те же численные результаты, что и Максвелловский формализм, но свойства реального поля тока несколько отличаются от формального "магнитного" поля, и в ряде случаев результаты очень существенно различаются. В этих случаях эксперимент отлично подтверждает справедливость конструктивных решений там, где эмпирическая теория явно противоречит опыту.
("Противоречия электродинамики опыту" ссылка скрыта)
Максвелл был первопроходцем, многие факты в то время еще не были известны. Эмпирика обобщила результаты простейших опытов Ампера и Фарадея, но понимание физического смысла происходящего в то время не было возможно. Такая возможность появилась к началу следующего века, однако тогда уже реальная физика отступила на второй план, и наука стала удовлетворяться формальными результатами, отрицая необходимость понимания физической сути явлений. Противоречия электродинамики опыту вскрылись много позднее, но какие-либо упоминания о них в академических журналах не найти. Гораздо охотнее там публикуются новости из кротовых нор и псевдонаучные статьи о несуществующих свойствах мифических монополей, которые "существуют" уже в широком ассортименте - от безмассовых до сверхтяжелых, на любой вкус. Изучение свойств этой нежити считается наукой физикой. А неудобные факты, показывающие несостоятельность эмпирической теории, наука старается не замечать, или объявить их лженаучными. Честь мундира дороже. Все это было бы смешно, когда бы не было так грустно.
Понимание реальной сути магнетизма помогло вскрыть ошибки эмпирической электродинамики, исправление которых поставило теорию с головы на ноги, и тем самым открыло путь к решению практически всех проблем электродинамики (и не только ее): проблемы теорий не падают с потолка, а создаются заложенными в них ошибками, и устранение причин устраняет проблемы автоматически. Все известные противоречия электродинамики после коррекции исчезают, и все неясные вопросы находят естественное объяснение.
Приведенный выше принцип "магнитных" взаимодействий однозначно следует из хорошо известных положений физики, вывод изложен в первой части "Конструктивной электродинамики" "Магнитное поле в нерелятивистском приближении" ссылка скрыта
Дополнение.
Многие не понимают, каким образом создается дипольный момент элемента тока. Проблема возникает по той причине, что в эмпирической теории очень оригинальным образом трактуется запаздывание. Теория справедливо полагает, что вектор поля всегда направлен вдоль текущего радиуса, однако статика самым нелепым способом привязывается к скорости движущегося заряда. Это основная причина, по которой теория полна противоречий. Разобрана она здесь: "Главная ошибка электродинамики" ссылка скрыта
На рисунке ниже:
слева показаны поля в представлении классической электродинамики,
справа - поля с учетом запаздывания.
Поле покоящегося заряда, и поле движущегося (через ту же точку) заряда - не коллинеарны:
Разность полей и образует дипольный момент, только в отличие от показанного примера, статическое и кинетическое поля элемента тока имеют разные знаки.
Однако в эмпирической теории, благодаря игнорированию запаздывания, статическое и кинетическое поля коллинеарны, - тогда никакого дипольного момента не возникает:
В таком представлении источники поля расходятся в пространстве, а сами поля - во времени (рис. выше).
Вопреки этому утверждается, что это поля одного и того же заряда, - когда он покоится в некоторой точке, или же когда движется через ту же точку. Блажен, кто верует! "Та же точка" находится совсем не там же, а отстоит на расстояние x = vt.
Очевидно, что поле движущегося заряда определяется запаздывающим состоянием, т.е., измеряется поле заряда, который движется через запаздывающие координаты, а не поле заряда в его проекционных (текущих) координатах. Соответственно, статическое поле должно относиться к заряду в тех же, запаздывающих координатах, а не где попало, и измеряться в то же самое время t.
Запаздывание не зависит от скорости, но в классической теории, в статике запаздывание одно, а с ростом скорости запаздывающий радиус отодвигается от текущего, и запаздывание увеличивается. Очевидно, все должно обстоять наоборот: Запаздывание не зависит от скорости – иными словами, запаздывающий радиус один и тот же при любой скорости, от -с до +с, и скорость v = 0 не исключение; с изменением скорости изменяется только текущая координата.
Следует отметить, что теория декларирует независимость запаздывания от скорости, но это не помешало ей получить продольную симметрию поля движущегося заряда. Видимо, так спешили к вершинам знаний, что некогда было разобраться с запаздыванием.
Тупик физики начался именно с этой, на первый взгляд "частной" ошибки в фундаменте физики. Не сразу приходит понимание, какие чудовищные искажения последовали за ней. Что же касается результатов, то их с успехом дают и искаженные теории. Численный результат - необходимое, но недостаточное условие; критерий истины - ясность и простота представлений.
Вигнер писал: …некоторые теории, ошибочность которых нам заведомо известна, позволяют получать удивительно точные результаты. Если бы мы знали немного меньше, то круг явлений, объясняемых этими «ложными» теориями, казался бы нам достаточно большим для того, чтобы уверовать в их «правильность». А там, где ошибочность теорий пока еще не известна, вера в их "правильность" продолжает жить, и активно бороться против истины. История физики позволяет понять, что ошибочной является любая эмпирическая теория. Корректную теорию, где явления непременно имеют внятные причины, никто уже не обзовет эмпирической.
Полученный механизм электромагнетизма можно отрицать только вместе с отрицанием реальности электрических полей у зарядов, составляющих ток. Но расставаться с иллюзиями непросто, да и не все желают. Также в силу инерции мышления очевидное воспринимается с трудом, слишком глубоко вбито представление, что, несмотря на представление о едином электро-магнитном поле, электрическое и магнитное поля имеют различную природу: в статике уравнения Максвелла разделяются на две группы, в одной из которых фигурирует только электрическое, а в другой - только магнитное поле. По этому поводу Фейнман писал: Коль скоро в статике заряды и токи постоянны, то электричество и магнетизм – явления разные. Кроме того, со школы насаживается представление о "вихревом" характере магнитного поля. Даже специалисты в попытках объяснить магнетизм конструируют некие «вихри» вокруг тока. Эти вихри не более реальны, чем Земная ось – "силовые линии" поля, вьющиеся вокруг тока, являются условными аксиальными векторами, а силы Лоренца действуют как раз перпендикулярно этим "силовым" линиям, которые имеют отдаленное подобие физического смысла только у постоянных магнитов.
Заряды тока создают упорядоченное нейтральное поле, баланс которого нарушается при относительном движении - в этом весь смысл магнитного поля, природа которого чисто электрическая. Сила привычки заставляет забыть, что магнитные поля и взаимодействия не проявляются сами по себе, а обнаруживаются только появлением электрических полей при изменении тока или при движении зарядов (о постоянных магнитах чуть ниже). "Магнитное" поле и есть электрическое поле тока.
Тот факт, что в статике поле тока равно нулю, никак не мешает ему проявляться в кинетике и динамике, поскольку поле движущихся зарядов отличается от их статического поля, и при взаимном движении поля меняются, причем меняются по-разному, поскольку вектор скорости направлен по-разному к различным участкам тока. Поэтому возникающее в движущейся системе отсчета поле тока перпендикулярно вектору скорости (если только ток замкнут!).
Трудно только понять, почему совершенно очевидные вещи, следующие из всем известных фактов, нужно еще и доказывать, преодолевая упорное сопротивление. Поэтому переход к релятивистским уравнениям, позволяющим решить проблемы динамики, способен только усилить непонимание, и пока не приводится.
VEV
Почему миф о магнитном поле столь живуч?
Потому, что два постоянных магнита взаимодействуют при отсутствии электрического поля. Электрического поля нет, а взаимодействие – есть. Значит, есть некое другое поле – магнитное, известное с древних времен.
Мистика. Вся материя построена из зарядов, электрические поля есть всегда и везде; другое дело, что интегральное поле может быть нейтральным в какой-то системе отсчета. А нейтральность – это наличие противоположных полей, а не отсутствие всяких полей, «наличие» и «отсутствие» – не синонимы.***
Хотя сами магниты неподвижны, электрическое взаимодействие между ними не равно нулю, - взаимодействуют не статические железки, не неподвижные электрически нейтральные магниты, а токи, движущиеся заряды, которые и образуют магнит. Электрического поля вокруг неподвижного магнита нет, но при движении заряда появляются силы Лоренца – электрическое поле E = v x B. Для нас магнит по-прежнему нейтрален, но в системе отсчета движущегося заряда появляется поперечное электрическое поле. Это (электрическое) поле не породилось неким магнитным полем, оно было и есть всегда, но проявляется оно только при относительном движении, в статике это поле нейтрально.
Реальность в упор не видят сквозь шоры термина «магнитостатики», которая на самом деле электрокинематика, статикой здесь не пахнет.
В системе отсчета движущегося заряда вовсе не нейтрально то, что нейтрально в статике.
Стоит подвигать проводник возле магнита – и сразу обнаружится, что в движущейся системе электрическое поле вокруг магнита ЕСТЬ, силы Лоренца вызваны изменяющимися при этом векторами электрических (дипольных) полей различных участков тока (добавим: по-разному изменяющимися).
Векторы полей участков замкнутого тока компенсируют друг друга в статике, но в движущейся системе отсчета они изменяются, причем векторы полей различных участков тока изменяются ПО-РАЗНОМУ, поскольку вектор скорости по-разному направлен к разным участкам ПРОТЯЖЕННОГО тока. В результате поле тока в движущейся системе отсчета (силы Лоренца) перпендикулярно вектору скорости (только в случае замкнутого тока!). Нет никакой необходимость в дополнительном "магнитном" поле. Поле зарядов тока и есть его «магнитное» поле.
Наиболее просвещенные критики не способны оторваться от представления о магнитном поле как роторе от (интегрального) векторного потенциала тока, и утверждают, что "суммируя градиенты нельзя получить ротор", и что операторы "div", "rot", "grad" не зависят от выбора системы отсчета. Очевидно, что они не читали конструктивную электродинамику, и берутся критиковать ее понаслышке, опираясь на классическое представление о (продольном) векторном потенциале тока, которое не имеет никакого отношения к описываемым "магнитным" взаимодействиям. Векторный потенциал тока может быть получен уже как интегральная величина (если придерживаться классических заблуждений ЭД, на самом деле все не так). Нельзя двигаться во все стороны сразу, поэтому вектор скорости относительно каждого элемента тока - уже другой. Операторы следует применять не к потенциалу тока, а к полям и потенциалам зарядов элементов тока по-отдельности, и затем уже интегрировать.
Что же касается магнитного поля отдельно движущегося заряда, то прежде чем говорить о нем, следует вспомнить, что скорость положительных и отрицательных зарядов тока разная, что поле неподвижных положительных и поле движущихся отрицательных зарядов тока - не одно и то же, что поле в статике и то же самое поле в движущейся системе отсчета - разные вещи, что вектор скорости движущейся системы отсчета по-разному направлен к различным участкам ПРОТЯЖЕННОГО тока, и поэтому дипольные моменты разных участков тока меняются ПО-РАЗНОМУ. Но об отдельно движущемся заряде всего этого сказать нельзя, поэтому экстраполировать на отдельный заряд эмпирические зависимости, найденные для тока, недопустимо. Все "магнитное" поле движущегося заряда представлено единственным вектором прироста поля (подробнее в тексте первой части).
То, что хорошо понимали еще Эрстед и Ампер, до сегодняшнего дня (190 лет!) не способен понять нафталиновый формализм.
Скачать "Разгадка магнетизма" ссылка скрыта
Перейти: «Конструктивная электродинамика», ч.1, "Магнитное поле в нерелятивистском приближении" ссылка скрыта
- - - - - - - - - - - - - - - - - - -
*** Можно добавить, что понимание того факта, что нейтральность – это наличие противоположных полей, а не отсутствие всяких полей, совершенно необходимо для понимания механизма гравитации. Нет в мире ничего «истинно нейтрального». Земля, при всей своей нейтральности, состоит из зарядов, а значит, имеет два электрических поля огромной напряженности. И если чуть подумать, и посчитать, то из этих мощных полей следуют слабые силы, действующие на внешние массы. Как ни странно, эти силы в точности равны Ньютоновым, гравтационным.
Впрочем, не так уж странно: природа проста, и не роскошествует излишними причинами. Гораздо страннее полагать, что элементарные частицы, представляющие собой электромагнитные образования, создают два различных по своей природе потенциальных поля. Так что, не только в магнетизме может работать нейтральное поле - получающееся из электрических полей Земли ускорение g = –9,8 м/с2 едва ли случайно.