ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
К.Б.Канн
[email protected]
Аннотация
Существующие представления об электромагнитных волнах исключают не только их перемещение в пространстве, но и саму возможность их существования. Синфазность электрической и магнитной компонент в ЭМВ придает им ряд свойств, противоречащих основным законам природы. Показано, что синфазностm компонент ЭМВ содержится в исходной системе уравнений Максвелла. Приводится пример энергетической волны, способной распространяться в материальном («физическом») вакууме.
Ключевые слова:
Электромагнитная индукция; электромагнитные волны; синфазность; «парадоксы» электромагнитного излучения; ток смещения; «мировой эфир»; генерация и распространение
электромагнитной волны; волны электрической энергии; физический вакуум.
Только со смертью догмы начинается наука
Галилео Галилей
Электромагнитная индукция и электромагнитные волны
К середине 19-го века уже были открыты все основные законы электродинамики – закон
Кулона, основной закон электромагнитной индукции, закон Ампера и др. В 1855-73 гг.
Джеймс К. Максвелл обобщил эти закономерности в системе уравнений электродинамики.
Венцом теории Максвелла стало предсказание существования электромагнитных излучений.
В 1888 году, через 9 лет после смерти Максвелла существование электромагнитных волн
(ЭМВ) было доказано экспериментально (Г. Герц). Анализ системы уравнений Максвелла
позволил оценить структуру и свойства электромагнитных волн. В частности, скорость распространения ЭМВ оказалась равной скорости света. На этом основании Максвелл предположил, что свет имеет электромагнитную природу.
Система уравнений Максвелла на многие годы определила развитие электродинамики и
успехи ее многочисленных научных и технических применений, в том числе – для радиосвязи, радиолокации, изучения оптических явлений и т.п.
Согласно современным представлениям электромагнитное излучение представляет собой
две поперечные волны – электрической ( E ) и магнитной ( H ) напряженностей. Обе волны
поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются в пространстве, как одно целое («электромагнитная волна»). Перемещение ЭМВ обусловлено попеременной передачей энергии от электрической компоненты волны к магнитной и обратно.
Процессы генерации и распространения ЭМВ включают явление электромагнитной индукции (ЭМИ). Один из этих процессов – переход магнитной энергии в электрическую –
описывается II уравнением системы уравнений Максвелла:
II . rot E  B t .
(1)
Это и есть векторное представление скалярного выражения основного закона электромагнитной индукции:
dФ
 
(2)
dt
В работе [1] мы показали, что форма (2) закона ЭМИ не соответствует природе этого явления, так как подменяет процесс электромагнитного взаимодействия электрических зарядов
1
взаимодействием полей. Эта подмена привела к ряду «парадоксов» в проявлениях ЭМИ, объяснить которые до последнего времени не удавалось (см. [2]). Теория «взаимодействия полей» породила несколько не существующих в природе фантомов, например, «вихревое электрическое поле» [3].
Такое радикальное искажение природы ЭМИ не могло не сказаться на следствиях из теории Максвелла и, в частности, на представлениях об электромагнитных волнах (ЭМВ).
Парадоксы ЭМВ
Фазовые соотношения
Преобразования системы уравнений Максвелла приводят к двум волновым дифференциальным уравнениям:
E 
  2 E
c
2

t
2
H 
и
  2 H
c
2

t
2
,
которые дают для напряженностей электрического и магнитного полей два одинаковых волновых решения. Электрическая и магнитная волны лежат во взаимно перпендикулярных
плоскостях и синфазны. Но, если компоненты электромагнитной волны синфазны, то возникает коварный вопрос: а возможно ли вообще существование электромагнитных волн? Ведь
распространение колебаний в пространстве возможно лишь в том случае, когда существует
механизм передачи возбуждения (энергии колебаний) из одной точки в соседнюю точку волноводной среды. В упругих средах этот механизм обусловлен взаимодействием молекул. В
пустоте (вакууме) механизмом «близкодействия» может быть лишь переход энергии электрических колебаний в энергию магнитных колебаний в соседней точке пространства и
наоборот. Если колебания синфазны, такое электромагнитное «зацепление» между точками
пространства отсутствует, что исключает возможность распространения электромагнитных
колебаний. То есть, синфазная электромагнитная волна в вакууме не может быть бегущей.
В замкнутой области (например, в резонаторе) решение уравнений Максвелла дает стоячие волны, причем сдвиг между компонентами ЭМВ составляет четверть периода (см. [4]).
Каждые четверть периода электромагнитная энергия в такой стоячей волне переходит от
электрической к магнитной компоненте и обратно. Энергия волны как бы «топчется» на месте, совершая колебания на отрезке в четверть волны, что не характерно для стоячих волн.
Синфазность компонент в электромагнитной волне противоречит самой «максвелловской» формулировке (2) основного закона ЭМИ, согласно которой напряженность электрического поля должна быть пропорциональна производной от магнитной индукции.
И, наконец, если электрическая и магнитная компоненты ЭМВ синфазны, то в любой точке волнового пространства электрическая и магнитная энергия не переходят друг в друга, а
возникают, растут и исчезают одновременно. При этом плотность потока электромагнитной
энергии (модуль вектора Умова-Пойнтинга) в любой точке волнового луча пульсирует, что
является нарушением закона сохранения энергии.
Таким образом, строгий физический анализ решений системы уравнений Максвелла приводит к странным выводам, что бегущая электромагнитная волна в вакууме не может «бежать», а стоячая волна не хочет «стоять»! А строгий математический анализ этой системы
приводит к результатам, в которых не выполняются не только законы волнового движения,
но и фундаментальные законы природы.
Теоретики – ортодоксы, для которых система уравнений Максвелла является своеобразной
«Библией» электродинамики вопреки здравому смыслу считают ЭМВ синфазными. Специалисты – практики по радиосвязи, наоборот, убеждены, что волна магнитной напряженности на
четверть периода опережает электрическую волну. Но ни те, ни другие не могут ни понять, ни
объяснить причину этого парадокса в современных представлениях о природе ЭМВ.
2
Ток смещения
Современные представления о процессе распространения электромагнитного излучения
сводятся к тому, что переменное магнитное поле создает нестационарное вихревое электрическое поле, которое – в свою очередь – генерирует вихревое магнитное поле и т.д. Но со
времен Х. Эрстеда и экспериментов Био и Савара известно, что магнитное поле создается
электрическим током!
При разработке системы уравнений электродинамики отсутствие зарядов и токов в законе
ЭМИ (2) стало для Максвелла «камнем преткновения». Если бы Максвелл творил в наше
время, то свою систему уравнений ему вряд ли удалось написать, потому что совершенно неразрешимой показалась бы задача объяснить распространение ЭМВ в вакууме. Но во времена
Максвелла считалось, что все пространство заполнено некоторой гипотетической всепроникающей субстанцией – «мировым эфиром», обладающим весьма неопределенными свойствами. В 1837 году Фарадей обнаружил явление поляризации диэлектриков в электрическом
поле и высказал мысль о возможности распространения «электрического и магнитного действия» через промежуточную диэлектрическую среду. В 1861 году, анализируя процесс поляризации диэлектрика, Максвелл предположил, что взаимное смещение зарядов в молекулах
диэлектрика пропорционально напряженности внешнего электрического поля E . В современных обозначениях эта зависимость определяет электрическую индукцию в вакууме
D   0 E , где  0 – электрическая постоянная. При изменении электрического поля в диэлектрике кратковременно протекает ток поляризации, плотность которого определяется зависимостью jсм = dD dt =  0dE dt . Этот ток Максвелл назвал «током смещения». Это
– хоть и кратковременный, но ток реальных зарядов, который должен создавать магнитное
поле. Максвелл объединил плотность тока смещения jсм с плотностью тока проводимости
jпр
в общий («полный») ток. Суммарную плотность полного тока Максвелл и включил в
I
уравнение своей системы:
I . rot H  jпр  D t
.
(3)
На грани веков, когда создавалась теория относительности, с первым уравнением Максвелла начали происходить странные метаморфозы. Постулаты специальной теории относительности исключали существование абсолютной системы отсчета, каковой представлялся
«мировой эфир». Это понятие было исключено из научного обихода. Вместе с эфиром на
свалку «научных отбросов» выплеснули и «ребенка» – идею Фарадея о неразрывной связи
электрического поля с электрическими зарядами. Казалось бы, с исчезновением эфира должна была обрушиться вся система рассуждений, положенная Максвеллом в основу электродинамики. Но теоретики, не решаясь обидеть ни Максвелла, ни Эйнштейна, изобрели «вихревое электрическое поле» (см. [3]). Эта «гениальная» находка избавляла индукционный процесс (а, следовательно, и ЭМВ) вообще от всяких зарядов!
В «пустоте» не могло быть тока проводимости, поэтому уравнение (3) для системы уравнений в вакууме получило форму
I . rot H  D t .
Таким образом, магнитное поле создавалось теперь только «полем электрического
смещения». Авторы этой идеи «не заметили», что электрические заряды присутствуют и в
параметре D , так как (по своему физическому смыслу) электрическая индукция представляет собой поверхностную плотность зарядов, возникающую в диэлектрике в процессе поляризации. Без зарядов электрическое поле не может ни поляризовать пустоту, ни создавать
ток смещения. Отсутствующие в вакууме молекулы релятивисты заменили несуществующим
3
«вихревым электрическим полем», а производную от этого фантома назвали «током смещения в вакууме»!
Во II томе Берклиевского курса физики [5] Э. Парселл приводит любопытный анализ тока
смещения в вакуумном конденсаторе. Он показывает, что ток смещения в вакууме магнитное
поле… не создает. Напряженность магнитного поля в любой точке пространства (как внутри,
так вне конденсатора) определяется суперпозицией магнитных полей от двух «полутоков»
проводимости – втекающего в одну пластину конденсатора и вытекающего из другой.
Сторонники непорочности системы уравнений Максвелла утверждают, что способность
изменяющегося электрического поля создавать в вакууме ток смещения без участия зарядов
– это эффект релятивистский, а производную D t называют «релятивистской поправкой»
к системе уравнений Максвелла. Вводя понятие «ток смещения», Максвелл об этом не догадывался…
О природе электромагнитного излучения
Сегодня электромагнитные волны получили широкое практическое применение во многих областях человеческой деятельности. Однако, как и сто лет назад, этот важнейший природный процесс остается мало изученным. Искаженные представления об электрической
энергии и ее формах и путаница в процессах генерации и диссипации электроэнергии (см.
[6]) определили современный взгляд на природу ЭМВ, полный противоречий.
Как же сегодня представляется природа ЭМВ в «официальной» электродинамике? Энергия (не существующего в природе!) «вихревого электрического поля» поочередно переходит
в «энергию магнитного поля» (которое энергией не обладает!) и наоборот. Так как оба поля
синфазны, то все это происходит в одной точке. Магнитное поле создается (не существующим в вакууме!) «током смещения», а поток «электромагнитной энергии» в направлении
распространения непрерывно пульсирует, то исчезая, то вновь возникая из небытия! Этот
набор догматических представлений, лишенных физического содержания и противоречащих
здравому смыслу, и называется сегодня «электромагнитным излучением».
Я не тешу себя иллюзией, что смогу вскрыть и объяснить природу электромагнитного излучения. Сегодня это сделать невозможно: современная теория, отягощенная догмами и бессмысленными умозрительными конструкциями, справиться с этим не в состоянии, а экспериментальных фактов для создания новой теории ЭМВ недостаточно. Очевидно, что в рамках
«теории взаимодействия полей» эта задача неразрешима. От «следствий» этой теории можно
избавиться, лишь отказавшись от «пустого» пространства и идеи «электромагнитного взаимодействия полей», навязанного электродинамике этой теорией. Но есть один «парадокс», который можно разрешить (объяснить) уже сегодня. Это – «синфазность» ЭМВ. Причина этого
«парадокса» была заложена еще Максвеллом в систему уравнений электродинамики.
В середине 19-го века было известно, что заряженные частицы (электроны) передвигаются под действием разности потенциалов. Электрический ток в проводнике (согласно закону
Ома) был пропорционален напряжению. Природа источников тока (гальванических элементов) была неизвестной и загадочной. Другие генераторы электроэнергии (в частности - индукционные) появились намного позже, когда в электродинамике уже господствовала «теория взаимодействия полей», а «энергия электромагнитного поля» вытеснила из электродинамики понятие «электрическая энергия». В 1929 году академик И.Е. Тамм предложил модель
«абстрактного электрогенератора» и ввел в процесс генерации электроэнергии понятие «сторонние силы» [7]. Под сторонними силами понимаются силы различной физической природы, перемещающие электрически заряженные частицы против электрического поля. Анализ
процесса генерации гармонической ЭДС показывает, что в гармоническом индукционном
процессе электрический ток отстает по фазе от индукционной ЭДС на четверть периода.
Всего этого Максвелл не знал и не мог знать. Поэтому в системе уравнений Максвелла фазовый сдвиг между индукционным током и ЭДС отсутствует. Этот дефект и стал причиной
«синфазности» ЭМВ. (Подробнее об этом см. [8]).
4
ЭМВ с позиций здравого смысла
ЭМВ, несомненно, переносят электрическую («электромагнитную») энергию. Электрической энергией обладают лишь материальные частицы. В «абсолютной пустоте» нет заряженных частиц, поэтому в идеальном вакууме не может ни «содержаться», ни «переноситься»
электрическая энергия. Это и показывает критический анализ парадоксов электромагнитного
излучения, приведенный выше. Для существования ЭМВ в пространстве должны существовать связанные электрические заряды противоположного знака. Эти электронейтральные образования должны как-то заполнять физический вакуум.
Рассуждать сегодня о природе этих электронейтральных образований бессмысленно. Известно, например, реально существующее (обнаруженное экспериментально) электронейтральное образование – позитроний. «Атом» позитрония представляет собой водородоподобную связь электрона с позитроном. Имеет ли позитроний какое-либо отношение к «атомам» физического вакуума, еще предстоит выяснить... В дальнейшем мы будем называть их
«позитронием» лишь для краткости.
Попытаюсь предложить возможный механизм генерации и распространения электромагнитных волн в вакууме, свободный от нелепостей в современных представлениях об их природе.
Допустим, физический вакуум как-то заполнен «позитронными» диполями. В некоторой
плоскости YOZ появляется возмущение, которое выражается в том, что заряды «позитрония»
оказываются разнесенными на некоторое расстояние (см. рисунок). В неподвижности система двух разнесенных зарядов обладает потенциальной электрической энергией
q0 , где
q – заряд одного знака, а 0 – разность потенциалов между полюсами «позитронного диполя». Если предоставить систему самой себе, электрический диполь будет совершать колебания. При этом потенциальная энергия будет переходить в «энергию движения» – энергию
электрического тока смещения i .
Допустим, потенциальная энергия связанных зарядов будет изменяться по гармоническому закону
  0 cos t .
(3)
Тогда волна электрического тока, возникающего при движении зарядов, будет отставать от

по фазе на
 2 (см. [4]), и может быть описана зависимостью:
i  im cos(t   2)  im sin t .
5
(4)
Если обратиться к механизму распространения волн (например, механических), то можно
предположить, что на следующем этапе должна произойти передача «энергии движения» в
соседнюю точку («ячейку») пространства с последующим переходом энергии тока в потенциальную энергию возбуждения соседнего «атома» физического вакуума. Природа этого
процесса сегодня неизвестна. Согласно существующим представлениям передача энергии в
ЭМВ осуществляется с помощью магнитного поля. Согласно этой модели ток смещения создает в плоскости, перпендикулярной току, магнитное поле, распространяющееся в пространстве в виде волны магнитной напряженности H , синфазной с волной тока смещения.
В свою очередь «магнитная волна» переносит энергию этого тока к соседнему «атому» физического вакуума.
Таким образом, согласно нашей модели «электромагнитное излучение» – это поток электрической энергии в структурированной среде – физическом вакууме. Волновое движение
обусловлено попеременной «перекачкой» электрической энергии из потенциальной формы в
энергию тока смещения, передачи этой энергии в соседнюю ячейку, где она снова переходит
в потенциальную электрическую энергию и т.д. Магнитное поле в этих процессах – некоторая абстрактная модель, заменяющая неизвестный пока механизм передачи энергии тока в
соседнюю ячейку волноводной среды.
В последнее время в «неофициальной» научной печати появляется все больше работ, из
которых следует, что силовое взаимодействие между движущимися зарядами можно объяснить электрическими (кулоновскими) силами, исключив в конечных соотношениях магнитные параметры (см., например, [9]). Это значит, что «магнитное поле» – это лишнее звено в
механизме «электромагнитных взаимодействий». К сожалению, несмотря на существующие
серьезные претензии к понятию «магнитное поле», заменить его пока нечем.
Предлагаемые представления о природе ЭМВ позволяют разорвать порочный круг догматических представлений, лишенных здравого смысла, и открыть простор для дальнейших исследований электродинамики взаимодействия между движущимися электрическими зарядами. Это позволит, в частности, понять природу волнового распространения электрической
энергии в пространстве, которое сегодня мы называем «электромагнитным излучением».
ЛИТЕРАТУРА
1. Канн К.Б. К электродинамике здравого смысла –
sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10798.html
2. Канн К.Б. О «парадоксах» закона электромагнитной индукции –
http://micro-world.su/files/4034.doc
3. Канн К.Б. Вихревое электрическое поле –
http://micro-world.su/files/4042.doc
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. Т.3 – М.: Физматлит, 2004. С. 591.
5. Парселл Э. Электричество и магнетизм. (Берклиевский курс физики.) – М.: Наука,1983.
Том 2. С. 249.
6. Канн К.Б. Электродинамика (взгляд физика).
http://electrodynamics.narod.ru/el-energy-generation.html
7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. Уч. пособие для вузов. 11-е изд.
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 181.
8. Канн К.Б. Электродинамика (взгляд физика).
http://electrodynamics.narod.ru/harmonic-ind-processes.html
9. Колонутов М. Г. Силовое взаимодействие носителей заряда при их
равномерном движении.
www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9017.html
6