МАГНИТНОЕ ПОЛЕ - SciTecLibrary
реклама
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ: СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ И ПАРАДОКСЫ К.Б. Канн kkann@yandex.ru АННОТАЦИЯ Самым «слабым звеном» в электродинамике стало понятие «магнитное поле». Со временем это вспомогательное (мысленное) понятие наделили свойствами реального объекта. Самой большой мистификацией стало присвоение магнитному полю способности порождать электрическое поле (потенциальную электрическую энергию). В результате была искажена природа явления электромагнитной индукции, электромагнитного взаимодействия, генерации и распространения электромагнитных волн, были нарушены фундаментальные законы механики, а в практической электродинамике накопилось много неразрешимых «парадоксов». В предлагаемой статье делается попытка разобраться в противоречиях современных представлениях о природе магнитного поля. «Родила царица в ночь Не то сына, не то дочь; Не мышонка, не лягушку, А неведому зверюшку» А.С. Пушкин, Сказка о царе Салтане. Введение Электрическое и магнитное поля появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. М. Фарадей, а затем и Дж. Максвелл ввели эти понятия, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. По мысли авторов поля представляли некоторые умозрительные модели, которые делали эти взаимодействия более наглядными и упрощали расчеты. Никаких представлений о природе этих полей не существовало. Под «полем» творцы электродинамики предполагали некоторую «деформацию» гипотетической среды – «эфира», который заполняет все мировое пространство. Хотя мировому эфиру приходилось приписывать странные и противоречивые свойства, но в его существовании в середине 19-го века никто не сомневался. Со «свойствами» полей дело обстояло проще, поскольку мысленная модель обладает лишь теми свойствами, которыми ее наделил автор. Например, электрическое поле создается зарядами, «деформирующими» мировой эфир. Эта «деформация» приводит к тому, что в любой точке электрического поля на заряд действует сила, пропорциональная этому заряду. Коэффициент пропорциональности (напряженность поля E(r ) ) и стал единственной характеристикой электрического поля. Сложнее было с оценкой параметра, характеризующего интенсивность магнитного поля. Но и ему нашли определяющий параметр – напряженность магнитного поля H(r ) , характеризующую «вращательную способность» поля (момент сил, действующий на единичный магнитный момент). Некоторое недоумение вызывала экспериментально обнаруженная связь между электрическими и магнитными явлениями. Можно было предполагать, что это – результат взаимодействия загадочных электрических и магнитных «деформаций» мирового эфира, природу которого удастся разгадать позднее. 1 В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию. Эта благостная картина была разрушена в начале 20-го века, когда появилась специальная теория относительности (СТО). Эта теория отрицает существование избранной системы координат, каковой представлялся мировой эфир. Это понятие было исключено из научного обихода, и мировое пространство осталось пустым. Лишенные материальной основы, поля «зависли в вакууме». Чеширский кот исчез, но осталась его «улыбка» – взаимодействие между полями, которое невозможно между мысленными понятиями. Снова появился призрак дальнодействия, ибо – согласно СТО – скорость движения ограничена лишь для материальных объектов. Чтобы сохранить СТО, пришлось «материализовать» электрическое и магнитное поля. Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами материальных объектов. Свойства материальных объектов проявляются в их взаимодействиях. Рассмотрим те взаимодействия, в которых участвует магнитное поле. Вихревое ли магнитное поле? В школе нам объясняли, что линии напряженности магнитного поля (МП) замкнуты и представляют концентрические окружности вокруг провода с током. Поле, линии которого замкнуты, называется «вихревым». Став постарше, мы узнали, что вихревое поле характеризуется двумя дифференциальными соотношениями: div H = 0 , что означает, что не существует магнитных «зарядов» – северного и южного «монополей». В точках пространства, занятого вихревым полем, существует «завихренность», что выражается зависимостью rot H ≠ 0 . Дж. Максвелл ввел оба соотношения в систему дифференциальных уравнений электродинамики. Для стационарного магнитного поля второе соотношение было записано в виде rot H = j , (1) где j – плотность электрического тока в данной точке поля. Стационарное магнитное поле создается, например, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. МП тока заполняет все пространство, ослабевая (обратно пропорционально квадрату расстояния) с удалением от тока. Но – согласно уравнению (1) – «завихренность» существует лишь в тех точках, где j отлично от нуля, то есть в точках, принадлежащих проводу. Можно показать, что во всем остальном пространстве rot H ≡ 0 . То есть во всем бесконечном пространстве, за исключением самого провода, магнитное поле не является вихревым! Вместе с тем отсутствие «магнитных зарядов» не позволяет ему быть и потенциальным. Что же это за «зверюшка», которая не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля? Математическая теория поля создавалась в рамках механики жидкостей и газа – для описания векторных полей скоростей и ускорений в моделях сплошной среды. Одним из положений теории поля является вывод, что в идеальной (невязкой) сплошной среде образование вихрей невозможно. И наоборот – вихри, изначально («от рождения») существовавшие в идеальной среде, должны существовать вечно и исчезнуть не могут (согласно закону сохранения момента импульса). Но авторы идеи «материализации» магнитного поля «забыли» наделить его вязкостью. Так в электродинамике появилось безвихревое «вихревое» магнитное поле. Эта история – наглядная иллюстрация явления, которое проявилось в науке в конце 19-го и получило широкое распространение в 20-м веке: когда не удается объяснить экспериментальные факты, привлекаются отвлеченные математические понятия, лишенные физического содержания, маскирующие и искажающие природные процессы. Неизбежно возникающие при этом логические противоречия гасятся новыми математическими изысками, что порождает новые проблемы и т.д. Академик Петровской Академии наук и искусств Ю.Г. Марков назвал эту тенденцию «математической инфляцией в физике» [1]. Продолжим, однако, рассмотрение процессов, в которых участвует магнитное поле. 2 Взаимодействие МП с электрическими зарядами Важнейшим взаимодействием в электродинамике является силовое взаимодействие МП с электрическими зарядами. Впервые это взаимодействие обнаружил Ампер в 1820 году. Он установил, что на провод с электрическим током в МП действует сила («сила Ампера»). Так как на провод без тока МП не действовало, то было очевидно, что сила Ампера – результат воздействия МП на движущиеся по проводу электроны. Анализируя эти результаты, Х. Лоренц построил теорию взаимодействия МП с одиночными заряженными частицами. Воздействие МП с магнитной индукцией B на частицу с зарядом q , движущуюся со скоростью v , определяется силой Лоренца FЛ = q [ v, B] . (2) Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как соотношение (2). Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то МП не может передать движущейся частице какую-либо энергию. Отсюда – широко распространенное убеждение, что «магнитная сила работы над зарядом совершать не может» [2]. Это утверждение вызывает недоуменные вопросы: а какая же сила поднимает тонны металлолома с помощью электромагнитов? Какова природа «пондеромоторных» сил взаимодействия между проводами с токами? И, наконец, сила Ампера, «работающая» во всех электродвигателях, разве не магнитная? Большинство специалистов по электродинамике лукавят, «не замечая» это противоречие. Но некоторые авторы добросовестно пытаются объяснить этот «парадокс» (см., например, [2, с. 177]). Анализ таких объяснений [3] показывает, что они не снимают проблему. К силе Лоренца много претензий и у классической механики. Согласно зависимости (2) сила Лоренца в однородном магнитном поле «сворачивает» траекторию заряженной частицы в окружность, сохраняя при этом скорость частицы (ее кинетическую энергию). Но – согласно классической механике – материальный объект массой m , вращающийся с угловой скоростью ω , кроме поступательной энергии mv 2 2 имеет еще и вращательную составляющую J ω 2 2 , где J – момент инерции тела. Откуда она взялась? (Или – куда исчезла?) Так что у силы Лоренца, похоже, нелады с законом сохранения энергии… Нетрудно понять, что зависимость (2) нарушает и другие законы сохранения – импульса, момента импульса, а в самом взаимодействии отсутствует сила, ответная силе Лоренца, которая ей «полагается» по III-му закону Ньютона. Все эти соображения привели многих специалистов к заключению, что в электромагнитных взаимодействиях законы механики не работают (?!). Такие странные представления о природе магнитных сил господствуют в теоретической электродинамике уже более ста лет! Вместе с тем специалисты по практической электротехнике уже давно пользуются другими понятиями об электромагнитных взаимодействиях. При этом они руководствуются исходными идеями, сформулированными еще основоположниками электродинамики. Вот что писал об особенностях электрического и магнитного полей Дж. Максвелл: «<Фарадей> открыл, что в среде < содержащей поле > имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению веревки, в направлении силовых линий, соединенном с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных».[4] В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как «натяжение» силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. На рисунке 1, а показана положительно заряженная частица, движущаяся перпендикулярно линиям H однородного магнитного поля в направлении от нас. Собственное магнитное поле частицы образует систему круговых линий, ориентированных по часовой стрелке. Складываясь с внешним полем, они образуют неоднородное магнитное поле (Рис. 1, б), градиент которого 3 ∇H создает магнитную силу FМ. Она направлена так же, как и сила Лоренца (2), но природа этой силы другая. Сила FМ определяется градиентом «магнитного давления» и – в отличие от силы Лоренца – может совершать работу над заряженной частицей. Силе Лоренца приписывают еще одну способность – генерировать потенциальную электрическую энергию – электродвижущую силу (ЭДС). Известно, что ЭДС создается в том случае, когда заряженные частицы перемещаются против сил электрического поля. Такую работу могут выполнять лишь силы не электрической природы, которые академик И.Е. Тамм назвал «сторонними силами» [5, с. 178]. Сторонние силы не взаимодействуют с электрическим зарядом. Они могут перемещать заряженные частицы, воздействуя на другие «свойства» частицы – массу, плотность, размер и пр. (см. [6]). Так как другие «магнитные силы» не известны, то силе Лоренца «поручили» выполнять в этих процессах функцию сторонней силы. Сила Лоренца передает заряженной частице магнитную энергию, которая затем превращается в электрическую энергию (ЭДС). Но сила Лоренца не может передать заряду какую-либо энергию! Поэтому сила Лоренца не может быть сторонней силой. А как же тогда образуется индукционная ЭДС? Вспомним, что сторонняя сила не является силой электрической. Она действует на любые другие свойства заряженной частицы, кроме ее электрического заряда. Чем отличается движущаяся заряженная частица от неподвижной? Только наличием собственного магнитного поля. Если магнитное поле может «работать» сторонней силой, то оно должно воздействовать не на заряд частицы, а на ее магнитное поле. Картина такого взаимодействия представлена на рисунке 1. Таким образом, то, что мы сегодня называем «электромагнитным взаимодействием», представляет собой результат взаимодействия между двумя магнитными полями – внешним полем и собственным магнитным полем движущегося заряда. Но такое (истинно магнитное) взаимодействие – это совершенно другой механизм, который не описывается зависимостью (2). Итак, сила Лоренца не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся заряд. Она не может служить сторонней силой в процессах генерации электроэнергии и других процессах. Считается, например, что сила Лоренца отклоняет электронный пучок в магнитном поле и создает поперечную (к току) ЭДС в эффекте Холла. Увы – и это ей не под силу: она не может «повернуть» движение заряженной частицы, ибо это требует затраты энергии и противоречит законам механики. Сила Лоренца – это чистый продукт «математической инфляции», лишенный физического содержания, еще одна «неведома зверюшка», порожденная магнитным полем (точнее – нашими ошибочными представлениями о нем). Все нелепости и противоречия, связанные с силой Лоренца, снимаются, если признать, что магнитные силы – это силы «натяжения и давления» силовых линий. Это позволит разрешить еще один затянувшийся спор – между сторонниками и противниками наличия «структуры» у магнитного поля. 4 Электромагнитная индукция и «структура» МП Важнейшим процессом в электродинамике является электромагнитная индукция (ЭМИ), открытая М. Фарадеем в 1831 году. Фарадей обнаружил, что при изменении магнитного потока Ф , пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нем возникает электрический ток, обратно пропорциональный электросопротивлению R контура: I∼ 1 dФ ⋅ . R dt (3) В те времена считалось, что электрический ток в проводящей среде может возникать лишь под действием электродвижущей силы ( ξ ). Сделав замену IR = ξ , выражение (3) представили зависимостью ξ=− dФ . dt (4) Эта, казалось бы, безобидная подмена понятий стала роковым шагом в развитии электродинамики. Зависимость (4) исказила физический смысл явления ЭМИ: воздействие магнитного поля на электрические заряды заменили взаимодействием полей. Электродинамика свернула на боковую тропинку, на которой науку об электричестве ожидали многочисленные препятствия, рытвины и ухабы. В частности, исследования явления ЭМИ пошло по двум разным и непересекающимся путям (см. [7]). Вскоре после открытия явления ЭМИ в замкнутом контуре было установлено, что индукционная ЭДС возникает в любом отрезке проводника, движущегося в магнитном поле. Многочисленные попытки объяснить эти два проявления одного и того же природного процесса единым механизмом оказались тщетными. Возникновение индукционного тока в разомкнутом проводнике объяснялось «магнитными силами», которые возникали при пересечении линий магнитного поля свободными электронами проводника. Такое объяснение следовало из зависимости (3), где под Ф понимается магнитный поток, пересекаемый проводником. Но этим механизмом невозможно было объяснить появление тока в замкнутом контуре. Поэтому ЭМИ в экспериментах Фарадея объяснили индукционной ЭДС, генерируемой переменным магнитным потоком Ф в соответствие с зависимостью (4) («индукционный механизм»). Но это принципиально другой физический процесс! Из него следует, что явление ЭМИ определяется не электромагнитным взаимодействием, а генерацией электрического поля (ЭДС) переменным магнитным потоком в результате «взаимодействия полей». Многие специалисты понимают нелепость ситуации, когда один из важнейших процессов в электродинамике определяется двумя физически различными механизмами, но никто не может найти разумное объяснение этому «парадоксу» [8]. Чтобы как-то сблизить эти два варианта ЭМИ, была предложена схема, показанная на рисунке 2, а. В однородном магнитном поле с индукцией B по рельсам перемещается проводящая перемычка CD. Концы рельсов замкнуты на 5 вольтметр, который показывает величину возникающей в перемычке индукционной ЭДС. При движении перемычки изменяется пересеченный перемычкой магнитный поток Ф = BS , где S – площадь (на рисунке затенена). Можно показать, что ЭДС, регистрируемая вольтметром, полностью соответствует «основному закону ЭМИ» (4): ξ = − dФ ∂ ∂B ∂S = − ( BS ) = − S −B . dt ∂t ∂t ∂t По мнению авторов, этот результат подтверждает справедливость этого закона. Но авторы не заметили, что в этом эксперименте взаимодействие полей… отсутствует. Так как магнитное поле однородное (В=const), то ∂B dS = 0 и ξ = −B , ∂t dt то есть индукционная ЭДС в перемычке генерируется по тому же механизму «пересечения»! Это становится наглядным, если немного изменить «экспериментальное устройство», заставив вольтметр перемещаться вместе с перемычкой (Рис. 2, б). По большому счету разные пути, по которым пошли исследования ЭМИ, определяются разными представлениями… о свойствах магнитного поля, а именно – о его «структуре», которая представляется линиями поля. При пересечении этих линий свободными зарядами проводника возникает «магнитная сила», которая и создает в проводнике индукционный ток по «механизму пересечения». В неподвижном замкнутом контуре при изменении магнитной индукции B вместо «магнитной силы» возникает индукционная ЭДС и отпадает необходимость «структурировать» магнитное поле. Вот мнение патриарха советской электродинамики академика И.Е. Тамма о «механизме пересечения»: «… 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…». [5, стр. 546]. Таким образом, представление о «бесструктурности» МП – прямое следствие идеи «взаимодействия полей» (4). Посмотрим на МП через призму механизма «взаимодействия полей»: 1. В процессе ЭМИ МП генерирует электроэнергию – индукционную ЭДС ξ . А где взялась эта энергия у МП? Согласно современным воззрениям, энергия магнитного поля распределена в объеме поля, а плотность этой энергии определяется зависимостью w = µ0 H 2 2 (Дж/м3). При переходе магнитной энергии в электрическую должна убывать интенсивность (напряженность Н) магнитного поля! Экспериментальное подтверждение этого «эффекта» отсутствует. В лучшем случае МП в процессе ЭМИ выполняет лишь функцию передатчика энергии от тока, создающего это поле, индукционному току. Но о таком «свойстве» МП ничего не известно. 2. В отсутствие зарядов МП может создать лишь круговое (вихревое) электрическое поле. В работе [9] мы показали, что силовое (например, электрическое) поле, не может быть вихревым. Это противоречит основным положениям теории поля. В замкнутом проводящем контуре электромагнитное взаимодействие генерирует круговое, но потенциальное электрическое поле. Такой вариант ЭМИ объясняет экспериментальная зависимость Фарадея (3) (см. также предыдущий раздел), но нельзя объяснить «взаимодействием полей». Рассмотрим еще несколько «парадоксов», связанных с современными представлениями о природе МП. 6 «Парадоксы» МП и их разрешение В середине 20-го века в научной печати активно обсуждался результат, полученный немецким физиком Герингом. В этом эксперименте нарушался основной закон ЭМИ (4). В процессе дискуссии было предложено еще несколько схем, в которых этот закон тоже не выполнялся. Одна из таких схем представлена на рисунке 3: Металлическая петля, содержащая гальванометр Г, разделена на два контура перемычкой с ключом К. Левую половину цепи пронизывает постоянный магнитный поток М. Если разомкнуть ключ, магнитный поток окажется охваченным цепью с гальванометром. При этом согласно зависимости (4) гальванометр должен показать в цепи импульс тока. В эксперименте гальванометр не реагировал ни на размыкание, ни на замыкание ключа. Один из участников дискуссии резонно заметил, что для создания тока требуется какая-то энергия, а переключения ключа можно сделать практически без затрат энергии. То есть появление индукционной ЭДС в цепи… противоречило бы закону сохранения энергии! Такое заявление показалось участникам дискуссии настолько неправдоподобным, что на него не обратили внимание. В 2008 году несколько испанских физиков [10] поставили эксперимент с целью проверить справедливость «закона Фарадея» (так сегодня в «официальной» печати называют зависимость (4)). Экспериментальное устройство представляло две соосные катушки (см. Рис. 4). По внутренней катушке I от батареи Б пропускался постоянный ток. Обе катушки пронизывал общий магнитный поток Ф = const . Внешняя катушка II представляла соленоид, к движку которого был подключен гальванометр Г. Для контура, содержащего N витков, закон (4) может быть записан в виде ξ=− где dψ , dt (5) ψ = ФN – потокосцепление. Дифференцируя (5), получаем ξ=− d ∂Ф ∂N ψ =− N− Ф, dt ∂t ∂t что при постоянном потоке Ф дает зависимость ξ=− d dN ψ =− Ф. dt dt (6) Таким образом, при перемещении движка соленоида в цепи, содержащей гальванометр, должна возникать индукционная ЭДС. Однако при любом изменении числа витков N гальванометр ничего не показывал. Анализ всех этих «парадоксов» показывает, что все они возникают, когда экспериментальные факты пытаются объяснить «индукционным механизмом» (4) – «взаимодействием полей». Если в эксперименте явно присутствует пересечение линий магнитного поля зарядами, «парадоксы» не возникают. 7 Некоторые затруднения вызывает объяснение «Парадокса Геринга». Схема этого эксперимента показана на рисунке 5. Экспериментальное устройство состоит из тороидального (постоянного) магнита 1 и контакта двух упругих пластин 2, образующих вместе с гальванометром 3 цепь, замкнутую вокруг магнитопровода. При извлечении магнитопровода из измерительной цепи он проскальзывает между пружинящими контактами, но цепь гальванометра при этом не разрывается: контактные пружины остаются замкнутыми металлическим «мостиком» – через магнитопровод. Согласно закону электромагнитной индукции (4) при удалении магнитопровода из измерительного контура в нем должна возникать ЭДС индукции. «Парадокс» заключается в том, что этой ЭДС гальванометр «не видит»! Дело в том, что электроны, содержащиеся в магнитном «мостике», выскальзывают из замкнутого измерительного контура вместе с магнитными линиями. Они не пересекают линии магнитного поля, и индукционная ЭДС не возникает. И еще один «парадокс». На рисунке 6 показан униполярный генератор Фарадея с вращающимся магнитом. Полтора века специалисты пытаются понять, как возникает ЭДС индукции в магните. Ответ не дает ни одна из моделей МП – ни структурированная, ни бесструктурная! Копья оппонентов скрестились на обсуждении вопроса: «Вращается ли магнитное поле вместе с магнитом или остается неподвижным?». Теперь, когда найдена разгадка «парадокса Геринга», не составляет труда разрешить и «Парадокс Фарадея». Здесь работает тот же механизм, что и в «парадоксе Геринга»: индукционная ЭДС не возникает и не может возникнуть в магните, так как электроны в теле магнита вращаются вместе с линиями поля и не пересекают их. На рисунке видно, что ЭДС генерируется вне магнита при пересечении линиями МП участка АС измерительного контура. Этот принцип работы униполярного генератора обсуждался и раньше, но был категорически отвергнут сторонниками «индукционного механизма» ЭМИ и «бесструктурности» магнитного поля. Таким образом, практически все «парадоксы» ЭМИ можно объяснить «механизмом пересечения». Вместе с тем, никуда не деться от электромагнитной индукции в замкнутом контуре, в процессе которой не работает механизм пересечения. Этот процесс можно объяснить лишь «индукционным механизмом». Без разрешения этого «парадокса» триумф механизма «пересечения» в процессах ЭМИ невозможен! Снова обратимся к цитате академика Тамма о «структуре» МП, приведенной выше. Отстаивая бесструктурность МП, академик делает примечательную оговорку: «силовые линии являются лишь вспомогательным понятием, … а не какими-либо материальными образованиями». (Между строк заметим, что эта точка зрения не помешала в свое время «материализовать» МП!). Если линии МП – «материальные образования», то они должны иметь какую-то структуру. Если же они лишь «вспомогательные понятия», то им можно присвоить желаемую структуру, что и сделали основатели электродинамики полтора века назад. В частности, процесс изменения индукции в магнитном потоке можно представить как сгущение/разрежение магнитных линий. В работе [7] на основе этой идеи мы предложили модель, которая позволяет свести ЭМИ в замкнутом контуре к механизму «пересечения». Но было бы несправедливо приписывать эту модель себе, потому что идею сгущения/разрежения силовых линий задолго до нас высказал… М. Фарадей. Вот, что писал об этом ветеран образовательного фронта профессор МГУ С. К. Калашников: «… если проводник находится в покое, но изменяется магнитная индукция, то при усилении поля густота линий индукции будет увеличиваться, и они будут стягиваться друг к другу, а при ослаблении поля – расходиться друг от друга. И в этом случае произойдет пересечение некоторого числа линий индукции проводником. Поэтому Фарадей заключил, что индукционный ток 8 возникает в проводнике в том случае, если проводник или какая-либо его часть пересекает линии магнитной индукции» [11]. Таким образом, с учетом «сгущения/разрежения» ЭМИ в замкнутом контуре приводится к «механизму пересечения», а электромагнитная индукция во всех ее проявлениях объясняется силовыми (магнито-магнитными) взаимодействиями. Идея «материализации полей» – это одна из крупнейших мистификаций в науке, присвоившая продуктам мышления способность «взаимодействовать». Математически она облечена в форму (4) «основного закона ЭМИ». Невозможно какое-либо «взаимодействие» без обмена энергией. Поэтому любая попытка объяснять экспериментальные факты «взаимодействием полей» приводит к «парадоксам». На этом можно было бы завершить разговор о природе магнитного поля, если бы идея «взаимодействия полей» не проникла… в космос! «Взаимодействие полей» в вакууме Формулировка (4) принадлежит Дж. Максвеллу1. Для проводящего контура (с некоторыми поправками – см. [13]) ее можно использовать и сейчас. Но в пустоте такая возможность исключена. Вместе с тем в 1888 Г. Герц экспериментально показал существование электромагнитных волн (ЭМВ). В вакуум электродинамика шагнула уже под флагом СТО, а в космосе она целиком стала умозрительной наукой. Пренебрегая законами природы и здравым смыслом, электромагнитные волны «заставили» двигаться в пустоте [14]. Новыми «свойствами» наделили и магнитное поле. Со времен Эрстеда было известно, что МП возникает вокруг электрического тока. Но откуда взяться электрическому току в вакууме? С этой проблемой Дж. Максвелл столкнулся при разработке теории электромагнитных волн. Гениальный ум нашел решение, но для этого ему пришлось обратиться к… мировому эфиру. Анализируя процесс взаимодействия электрического поля с молекулами диэлектрической среды, Максвелл обратил внимание, что переменное электрическое поле вызывает в диэлектрике знакопеременный ток (ток поляризации), который он назвал «током смещения». Это был ток реальных зарядов, и он создавал переменное магнитное поле. Максвелл понял, что в пространстве возможно появление магнитного поля, если эфир обладает свойствами диэлектрика. Введение в электродинамику токов смещения релятивисты и почитатели Максвелла считают одним из основных его достижений. При этом стыдливо умалчивается, что СТО, упразднив эфир, выбила и эту опору в фундаменте электродинамики. Чтобы не обидеть ни Максвелла, ни Эйнштейна, теоретики нашли «компромиссное решение»: В теории диэлектриков ток поляризации (он же – ток смещения) определяется частной производной по времени от электрической индукции D = ε 0 E : I см = ∂D ∂E = ε0 . Этот ток – по dt dt мнению теоретиков – и генерирует магнитное поле в вакууме! При этом авторов этой «гениальной» идеи не смутило, что физический смысл электрической индукции D – это поверхностная плотность зарядов (Кл/м2), которая образуется в диэлектрике, но отсутствует в вакууме! Таким жульническим приемом идею «взаимодействия полей» удалось протащить и в теорию распространения электромагнитных волн в космическом пространстве. Из приведенного выше описания электромагнитных взаимодействий следует, что магнитное поле не может родиться от «производной по времени…». Вместе с тем нет ни одного прямого эксперимента, который подтверждал бы возможность генерации электрического поля магнитным полем в вакууме. Более того, нет средства, позволяющего установить существование этого 1 Справедливости ради нужно заметить, что уже через несколько лет Максвелл понял порочность этой идеи и исключил ее из системы дифференциальных уравнений электродинамики. После смерти Максвелла его последователи и «доброжелатели» снова включили зависимость (4) в «систему уравнений Максвелла» (см. [12]). 9 поля, не привлекая для этого электрические заряды. То есть «взаимодействие полей» – это плод научной фантастики, а теория этого процесса – еще один продукт «математической инфляции». Как эти математические экзерсисы исказили природу электромагнитных волн, описано в работе [15]. В этой работе распространение ЭМВ предлагается рассматривать как волну электрической энергии в «физическом вакууме» – гипотетической среде, содержащей электрические заряды противоположных знаков. На одном из этапов этого процесса работает механизм, в котором участвует магнитное поле. Оно передает электрическую «энергию движения» (энергию электрического тока) в соседнюю точку пространства. Но магнитное поле не несет энергию и не может ее «передавать». Это – еще одна работа, «порученная» магнитному полю, с которой оно справиться не может. И это – последний аргумент, который заставляет отказаться от модели «магнитное поле»… Философское Все, что мы знаем сегодня о законах природы, свойствах материальных объектов и связях между ними – это лишь отражение реального мира в зеркале нашего воображения, лишь наши представления о том, как устроен окружающий нас мир, частью которого мы являемся. Как в действительности устроен этот мир, знает лишь Бог, да и того нет… Вот почему любые утверждения вроде: «Этот объект (процесс, явление…) является объективной реальностью» должны вызывать у думающих людей снисходительную улыбку. Все научные открытия и достижения – это лишь набор мысленных моделей, построенных в нашем сознании. «Хорошие» модели живут долго, помогая нам продвигаться в познании этого мира. Например, геоцентрическая модель движения планет (так называемая «теория эпициклов» Птолемея) просуществовала 14 веков! К «хорошим» моделям следует отнести и понятие «электрическое поле», которая (в своем первоначальном варианте) не дает сбоев уже полтора века. Модель «магнитное поле», появившаяся почти одновременно с электрическим полем, начала давать «осечки» сразу же после рождения. Ее непрерывно приходится «ремонтировать», как плохо построенную дорогу. К сожалению, этот ремонт проводится «точечно», потому что… нехватает материала (знаний) для «капремонта». Историческая ретроспектива наших представлений о МП показывает, что «точечный ремонт» превратил «магнитное поле» в лоскутное одеяло, отдельные элементы которого плохо стыкуются друг с другом, а то и вовсе оставляют дыры. Интуитивно понятно, что модель МП маскирует какой-то объективный физический механизм взаимодействия между движущимися электрическими зарядами. Этот механизм искал еще Ампер. Поиск такого логически обоснованного физического механизма был остановлен (заторможен) появлением теории «взаимодействия полей». Эта теория исказила отработанную веками, логически стройную и оправдавшую себя систему представлений о механической энергии. А в электродинамике понятие «кинетическая электрическая энергия» было предано анафеме (см. [6]). Остается неясным механизм взаимодействия между движущимися зарядами и электрическими токами. В последнее время появилось много работ, в которых делаются попытки «нащупать» физический смысл понятия «кинетическая электрическая энергия», но многие из них, к сожалению, проводятся в рамках теории «взаимодействия полей» с привлечением представлений релятивизма. Так что «лоскутное одеяло» МП, сегодня (увы!) заменить пока нечем… Назад в будущее Первые представления об электрических и магнитных явлениях появились в IV веке до н.э. – почти одновременно с зарождением элементов механики. Исследования по механике прошли тысячелетний путь развития и достигли совершенства в конце 17-го века в работах Ньютона. Серьезные научные исследования электрических и магнитных явлений начались лишь в начале 19-го века. Исследователи столкнулись с новой реальностью, принципиально отличающейся от объектов классической физики. Свои первые шаги нарождающаяся электродинамика делала в условиях бурного (и успешного!) развития различных направлений в физике, что сопровождалось эйфорией «торжества» человеческого разума. Открывался широкий простор для 10 безудержных фантазий и новых («безумных») идей. Этот дух времени коснулся, прежде всего, наименее понятного в природе – электродинамики. Так появились понятия «электрическое и магнитное поле», затем последовала их «материализация» и, наконец, теория их «взаимодействия». Развитие электродинамики свернуло на боковую дорожку, которая сегодня привела теорию электромагнитных явлений в смысловой тупик. Особенно противоречивым оказалось понятие «магнитное поле». Настойчиво пытаясь «подремонтировать» это понятие, теория все больше увязала в противоречиях, вплоть до нарушения фундаментальных законов механики. Анализ «свойств», приписываемых МП, и «парадоксов», порожденных этими фантазиями, показывает, что из этой трясины, из этого тупика есть единственный выход – назад. Мы видели, что во многих случаях наиболее адекватными и логически обоснованными являются мысли и идеи, которые были заложены в фундамент электродинамики еще ее творцами. Поэтому, чтобы поскорее выйти из тупика, кажется разумным не распутывать свалявшийся клубок противоречий, а вернуться к тому перекрестку, на котором электродинамика свернула со «столбового» пути развития. Необходимо вдумчиво проанализировать исходные понятия и идеи, очистив электродинамику от наслоения ложных посылок и продуктов «математической инфляции» 20го века. Ученым старшего поколения с этой работой, по-видимому, уже не справиться. Надежда – на молодых, талантливых исследователей, критически оценивающих сложившуюся ситуацию и свободных от вековых догм. ЛИТЕРАТУРА: 1. Марков Ю.Г. Принцип Маха как источник новой парадигмы в физике. (Препринт) – Новосибирск, 2005. С. 13. 2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2 (Электричество и магнетизм). – Москва: Наука, ФИЗМАТЛИТ, 1978. С. 118. 3. http://electrodynamics.narod.ru/nature-of-emi.html 4. Максвелл Д.К. Статьи и речи. – М.: Наука, 1968. С. 59. 5 Тамм И.Е. Основы теории электричества: Уч. пособие для вузов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 178. 6. http://electrodynamics.narod.ru/el-energy-generation.html 7. http://electrodynamics.narod.ru/two-faced-induction.html 8. Иродов И. Е.. Электромагнетизм. Основные законы. – М.: Лаб. Базовых Знаний, 2001. С. 248. 9. http://micro-world.su/files/4042.doc 10. L´opez-Ramos A, Men´endez J R and Piqu´e C. Conditions for the validity of Faraday’s Law… Eur. J. Phys. 29 (2008) 1069–1076. 11. Калашников С. К.. Электричество. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. С. 194. 12. Маркчев Н.Т. Сравнение различных форм системы уравнений Максвелла. – В сб. статей: «Максвелл и развитие физики XIX-XX веков». – М.: Наука, 1985. С. 93. 13. http://electrodynamics.narod.ru/eddy-electric-field.html 14. http://electrodynamics.narod.ru/em-waves.html 15. http://micro-world.su/files/4046.doc Белгород, апрель 2012 11
