Некоторые соображения о природе магнитного поля

19.09.2010 02:00

0 Комментарии

Новые следствия старых законов классической электродинамики

Согласно, принятым в современной физике представлениям о законе сохранения количества движения (импульса), в природе не существует каких бы то ни было сил, способных сдвинуть с места центр инерции(ЦИ) замкнутой системы. Однако есть исключения, с которыми можно познакомиться на страницах научной литературы и учебных пособий, например, в "Фейнмановских лекциях по физике" [1]. [1].

Две заряженные частицы , скорости которых взаимно перпендикулярны, движутся так, что пути их пересекаются, но столкновения не происходит. В какой-то момент их положение будет как изображено на рис. 1 а)

Рис. 1. Примеры разомкнутых систем S1 - S5. q1, q2, q - электрические заряды; u1, u2, u - скорости движения зарядов; FL - сила Лоренца, действующая на движущиеся заряды посредством магнитного поля, создаваемого другими движущимися зарядами; Fm - сила, действующая на токовый магнитный диполь со стороны магнитного поля движущегося заряда; F - равнодействующая сил, рассматриваемой системы; m - магнитный момент токового магнитного диполя. Указанные направления сил соответствуют положительным зарядам. S₁ - S₅. q₁, q₂, q - электрические заряды; u₁, u₂, u - скорости движения зарядов; F_L - сила Лоренца, действующая на движущиеся заряды посредством магнитного поля, создаваемого другими движущимися зарядами; F_m - сила, действующая на токовый магнитный диполь со стороны магнитного поля движущегося заряда; F - равнодействующая сил, рассматриваемой системы; m - магнитный момент токового магнитного диполя. Указанные направления сил соответствуют положительным зарядам.

На заряд q₁ со стороны заряда q₂ действует только электрическая сила, т. к q₂ на линии своего движения не создаёт магнитного поля. Однако на q_2, кроме электрического поля, действует ещё и магнитное со стороны q₁. Электрические силы, действующие на q₁и q₂ равны по величине и противоположны по направлению, поэтому не дают вклада в равнодействующую системы F_. Но на q₂ действует ещё и боковая (магнитная) сила (сила Лоренца), которой и близко нет у q₁. Она и будет равнодействующей для замкнутой, по традиционным представлениям , системы S₁. Действие не равно противодействию? Нарушается закон сохранения импульса? Р. Фейнман полагает, что если учитывать импульс создаваемых зарядами электрических и магнитных полей, который называют также "скрытым", "потенциальным", "статическим" и т. п., то закон сохранения количества движения не нарушается, несмотря на то, что ЦИ системы будет гулять. В противовес этому И. Е. Тамм, чьё мнение вошло даже в пятитомную физическую энциклопедию, считает, что скрытый импульс всего статического поля в целом по необходимости всегда равен нулю [2]. Два знаменитых автора по разному взаимно противоречиво оценивают одну и ту же величину для одной и той же системы. Это свидетельствует об отсутствии чёткого недвусмысленного понимания физического смысла понятия "скрытый импульс". В концепции Тамма смещение ЦИ остаётся без объяснения. В самом деле, если не существует скрытого "полевого" импульса, то откуда берётся механический? Концепция Фейнмана формально удовлетворяет закону сохранения импульса, но не согласуется с законом сохранения энергии, т. к. одинаковым изменениям величин импульсов (dp) системы зарядов и поля отвечают разные изменения их энергий (vdp и cdp, где v и c - скорость ЦИ системы зарядов и скорость света, соответственно). Отметим, что существование "скрытого импульса" и сопутствующей ему "скрытой энергии" сделало бы невозможной настройку входных контуров радиоаппаратуры т. к. эффективные ёмкости всех конденсаторов меняли бы свои величины в сотни и тысячи раз, в зависимости от ориентации  по отношению к магнитному полю Земли (обоснование приведено в первой части "Академического варианта" ). Это обстоятельство, до сих пор, незамеченное приверженцами "скрытого импульса" (обычно "застревают" на количестве движения, а до энергии "руки не доходят"), начисто выбивает почву из под ног их концепции. Отсюда следует, что понятие "скрытый импульс" не имеет никакого отношения к реальному количеству движения.

Таким образом смещение ЦИ замкнутой системы есть феномен, выходящий за рамки современных научных представлений. В то же время, как увидим ниже, это пропуск в новый удивительный мир, не мыслимых ранее законов и явлений природы.

Рассмотрим систему S₂ [см. Рис.1 б)], отличающуюся от S₁, тем, что заряды q₁ и q₂ синфазно осциллируют около неподвижных центров. В определённые моменты времени, они могут двигаться так же, как и в предыдущем случае, но через половину периода колебаний оба меняют свои скорости на противоположные. Заставляющие заряды колебаться механические квазиупругие силы уравновешиваются силами реакции, поэтому не вносят никакого вклада в равнодействующую системы. Так как скорость заряда q₂ и магнитное поле, создаваемое зарядом q₁ меняются одновременно, то сила Лоренца, действующая на q₂ не будет менять своего направления в пространстве. В итоге на систему S₂ будет действовать переменная по величине, но постоянная по направлению равнодействующая сила F, способная сообщать системе однонаправленное ускоренное движение или совершать работу против каких-либо внешних сил, если они есть (допустим силы трения). Если у предыдущей системы "есть только миг", пока заряды пролетают друг мимо друга, то эта способна целую вечность поддерживать свою постоянную по направлению силу (пока не сломается). Необходимо так же рассмотреть влияние электромагнитного волнового поля, излучаемого осциллирующими зарядами. Оно не действует на q₁ т. к.q₂ не излучает вдоль направления своих колебательных движений. Если расстояние между зарядами R мало по сравнению с длиной волны l (R< < l ), то влияние волнового поля на q₂ пренебрежимо мало. В противном случае (R> > l ) равнодействующая будет определяться магнитной составляющей именно волнового поля и может иметь постоянное направление (мы не будем подробно анализировать здесь эту по своему интересную ситуацию). Система S₃ [см. Рис. 1 в)] принципиально не отличается от предыдущей S₂. Заряды вращаются по окружностям с одинаковой угловой частотой. Фазы отличаются на p /2. Сила Лоренца действует попеременно на оба заряда, в результате чего равнодействующая становится постоянной не только по направлению, но и по величине. Колёса крутятся - система едет по свободному (космическому) пространству.

Отметим, что характер равнодействующих сил не изменится при замене движущихся (колеблющихся ) свободных зарядов на электрические диполи, меняющие свой дипольный момент, что, при желании, позволяет перейти к рассмотрению молекул и атомов при наличии колебательных и вращательных степеней свободы.

Приведённые примеры ещё раз красноречиво указывают на то, что пресловутый "скрытый импульс" не имеет ничего общего с реальным количеством движения, кроме названия, вводящего в заблуждение. Действительно, запас импульса у рассматриваемых нами неволновых (квазистационарных) полей ограничен и очень мал, поэтому никак не сможет обеспечить поступательное ускоренное неограниченное во времени движение системы, способной превысить любое наперёд заданное значение импульса и кинетической энергии. Приходится константировать тот факт, что концепция скрытого импульса на протяжении всего двадцатого столетия уводила умы учёных в сторону от серьёзного изучения импульсно-энергетических процессов в системах при наличии квазистационарных электрических и магнитных полей. По этой причине до сих пор остаётся за семью печатями необъятный мир новых явлений, в котором царят пока ещё неведомые законы природы, таящие в себе  удивительные перспективы, малой части которых мы коснёмся ниже.

Выше рассмотренные системы обладают огромной эвристической ценностью. Они позволяют, пользуясь только известными со школьных лет правилом буравчика и правилом левой руки, обнаружить силы, по отношению к которым не существует ответной реакции противодействия со стороны каких-либо вещественных и полевых компонентов. Это значит, что приложенные к зарядам силы Лоренца, считающиеся внутренними, на самом деле внешние, а системы, считающиеся замкнутыми, на самом деле таковыми не являются, что однозначно свидетельствует о неполноте современных представлений о замкнутости систем. Будем называть такие системы разомкнутыми (чтобы не путать с обычными незамкнутыми системами). Равнодействующие силы в них целесообразно называть размыкающими или безреактивными силами, а теорию изучающую разомкнутые системы - теорией размыкания (или теорией разомкнутых систем). Напрашивается ещё один принципиально важный вывод. В связи с тем, что размыкающие силы не встречают противодействия со стороны каких бы то ни было вещественных или полевых компонентов, закон сохранения количества движения (импульса) самым неумолимым образом диктует необходимость признания существования отличного от вещества и поля вида материи, способного вступать в силовое (импульсное) взаимодействие с веществом (вещественными элементами разомкнутых систем). Этот вид материи заполняет собой всю вселенную и присутствует в каждой точке пространства, являясь неотъемлемой структурной частью физического вакуума. Отождествлять его со всем физическим вакуумом вряд ли правомерно. Природа бесконечна. В ней может иметь место множество (может быть неограниченное) различных взаимодействий (включая ещё не открытые), которым может соответствовать множество различных структурных составляющих. По крайней мере, никто не доказал и никогда не докажет обратное. По этой причине новому виду не вещественной и не полевой материи целесообразно присвоить какое-то название, например электродинамический вакуум или, просто, электровакуум.

Продолжим ознакомление с некоторыми другими важными разновидностями разомкнутых систем. На Рис. 1 г) изображена система S₄, включающая в себя несколько зарядов q₁, вращающихся по окружности малого диаметра, и поступательно движущийся заряд q₂ на расстоянии от центра окружности, большом, по сравнению с её размерами. Согласно выше упомянутому правилу буравчика силовые линии магнитного поля заряда q₂, расположенные по разные стороны от линии его движения, имеют противоположные направления, поэтому силы Лоренца, действующие на каждый из зарядов q₁ имеют, как видно из Рис. 1 г), постоянные по направлению составляющие, которые нетрудно определить, пользуясь правилом левой руки. С другой стороны, вращающиеся заряды q₁ образуют токовый магнитный диполь, магнитное поле которого создаёт действующую на движущийся заряд q₂ силу Лоренца такого же направления. В итоге получаем постоянную по направлению равнодействующую всей системы S₄, которая, к тому же, будет сохраняться при одновременном изменении направлений вращения и движения q₂ на противоположные. Отметим, что если уменьшать размеры контура, по которому движутся заряды q₁, так чтобы магнитным момент образуемого ими тока оставался неизменным, то не изменится и равнодействующая сила. Очевидно, суть дела не зависит от конкретной природы токового магнитного диполя (будь это контур с током, кусочек намагниченного вещества или элементарная частица, такая как электрон, нейтрон и т. д.), что позволяет перейти к рассмотрению систем более общего вида [см. Рис. 1 д)].

Магнитный диполь, имеющий магнитный момент m (в общем случае меняющийся по величине и направлению) и электрический заряд q, удаляются друг от друга вдоль прямой, соединяющий обе частицы (вектор магнитного момента m направлен перпендикулярно к этой прямой). Скорость движения заряда v мала по сравнению со скоростью света с. Размеры частиц малы по сравнению с расстоянием между ними. Вычисляя и складывая силы, действующие на каждую из частиц и, применяя уравнение Максвелла, связывающее ротор напряжённости магнитного поля H с током смещения (rot H =j ), получим следующее выражение для мгновенного значения величины размыкающей силы:

где m - мгновенное значение величины магнитного момента, dE/dt- скорость изменения напряжённости электрического поля (величина, пропорциональная плотности тока смещения) заряда в точке нахождения магнитного диполя.

Или в другом виде:

F = m₀mj

где m₀ - магнитная постоянная, j - плотность тока смещения.

Эти формулы - основа для всего нижеследующего материала. Они, путём интегрирования, допускают распространение на макроскопические системы, содержащие протяжённые заряженные и магнитные элементы. Для простых геометрических форм интегрирование сводится к обыкновенному умножению.

 На Рис.2 изображено устройство, включающее в себя намагниченный сердечник, с прикрепленными к нему металлическими электродами.

Рис. 2. Простейший "безреактивный" элемент

При подаче переменного напряжения устройство вместе с центром инерции всей системы, включая источник питания и соединительные провода, под действием безреактивной силы будет совершать колебательные движения вдоль направления, перпендикулярного векторам электрического и магнитного полей внутри сердечника.

Аналогичное устройство, но с цилиндрическим сердечником, намагниченность которого определяется током намотанной на него катушки, изображено на Рис.3.

Если на его электроды подавать такое напряжение, чтобы напряжённость электрического поля в сердечнике менялось, например, по закону E = E₀sinw t, а на катушку такой ток, чтобы намагниченность менялась по закону M = M₀cosw t, то на устройство вдоль оси цилиндра будет действовать постоянная по направлению безреактивная сила, со средней величиной F_ср = p fE₀M₀V/c², где E₀, M₀ - амплитуды величин напряжённости электрического поля и намагниченности сердечника, f - частота, V - объём сердечника. В результате, устройство сможет либо ускоренно двигаться, либо совершать работу против внешних сил. Рис. 2 и рис. 3 иллюстрируют запатентованный способ реализации доселе неизвестного безреактивного движения [3].

Из последней формулы видно, что в переменных электрических и магнитных полях безреактивная сила возрастает при увеличении частоты. Использование частот, соответствующих сантиметровому - миллиметровому диапазону длин волн позволит получить силу до 10 килограмм на кубический дециметр рабочего объёма или, в других единицах, до 10 тонн на кубометр (т/м³), что вполне достаточно для технических применений. В перспективе, при освоении инфракрасного и оптического диапазонов, где придётся пользоваться уже не классическими, а квантовыми представлениями, эта цифра может быть поднята до тысяч и более т/м³.

Хорошие перспективы может иметь принцип создания безреактивных сил посредством сил Лоренца, возникающих при движении зарядов в магнитном поле, образуемом другими движущимися зарядами [см. Рис. 1 б), в)], имеющий воплощение (правда,  мало кем осознаваемое) в разного рода линейных и объёмных резонаторах, таких как Г-образные и П-образные рамки и швеллера, резонансные полости магнетронов или ламп бегущей волны и пр. Согласно публикации в журнале "Aircraft engineering and aerospace technology. Volume 72, #4, 2000, pp. 365-366." А.Кушелев и другие авторы наблюдали эффект действия безреактивной силы, в крестовидной структуре из двух Г-образных и одного прямого резонаторов. Величина безреактивной силы подобных систем пропорциональна циркулирующему в них потоку реактивной мощности (F = W/c) и, следуя Грэхему и Лахозу (Nature, 285, 154, 1980) и Кушелеву, может быть определена как равнодействующая сил Ампера в разомкнутых контурах.

Можно надеяться, что со временем будут реализованы на молекулярном уровне системы, прототипом которых являются выше рассмотренные зарядовые осцилляторы, типа S₂ (см. Рис.1) или - S₃, что может довести плотность сил до сотен миллионов т/м³. Цифры впечатляют. Таким образом, создание технических устройств, способных совершать движение под действием безреактивных сил - вполне реальная задача, однако, их уверенная регистрация современными экспериментальными средствами потребует целенаправленной подготовительной научно-исследовательской работы.

Отметим, на первый взгляд, весьма странную особенность, связанную с отсутствием относительного движения макроскопических элементов (деталей) устройств, изображённых на рис. 3, 4. Так как проводники не пересекают "силовых линий" магнитного поля, то нет и сил индукции, против которых источник питания должен совершать работу. Откуда же тогда поступает энергия для ускорения системы или преодоления ею сил сопротивления. Оказывается, справедлива следующая весьма простая по форме теорема. Работа, производимая безреактивной силой, при движении разомкнутой системы (устройства) не может осуществляться за счёт убыли энергии собственного (принадлежащего данной системе) источника питания (энергопитания). Доказательство тоже простое. Оно основано на привлечении принципа относительности и, поэтому, распространяется на все мыслимые типы устройств и на безреактивные силы, F_Б любой природы. Действительно, мощность, W (т. е. приращение кинетической энергии в единицу времени), зависит от того, с какой скоростью, U, по отношению к устройству движется наблюдатель или, строже говоря, в какой инерциальной системе отсчёта находится рассматриваемое устройство, т. к. W=F_БU. В связи с тем, что принцип относительности, в силу равноправия всех инерциальных систем отсчёта, даёт право произвольного выбора любой из них, скорость U, а вместе с ней, и мощность W могут, по нашему желанию, принять любое наперёд заданное значение. С другой стороны, если бы источник питания тратил какую-либо мощность, она имела бы вполне определённую в каждый момент времени величину, которую можно было бы измерить с помощью соответствующих приборов. Тогда, куда же делось наше право выбора! Мало того, при ускоренном движении, по мере увеличения скорости, возрастала бы и мощность источника питания. Полный абсурд! Это значит, что принцип относительности налагает запрет на потребление энергии, затрачиваемой на совершение работы безреактивными силами, от принадлежащего устройству (бортового) источника питания. Откуда же берётся энергия? Ведь за бортом (за пределами устройства) нет рукотворных источников питания как-то связанных с системой. Зато везде есть электровакуум (см. выше) - установленная нами новая форма материи. От него и поступает требуемая энергия. Таким образом, приходим к выводу, согласно которому, безреактивные силы совершают работу за счёт убыли энергии электровакуума.

Существование электровакуума, не противоречит современной физической картине мира, а вырастает из неё и органически дополняет её, обеспечивая выполнение законов сохранения количества движения и энергии. Восстанавливается всеобъемлемость принципа "действие равно противодействию". Иначе говоря, силы, с которыми действуют друг на друга частица и электровакуум, всегда равны по величине и противоположны по направлению. Что касается энергии, то следует отметить одну важную особенность. С точки зрения специальной теории относительности А. Эйнштейна, не существует однозначного ответа на вопрос, сколько именно энергии поступило от злектровакуума (или ушло в него), потому что мы, даже в принципе, не можем контролировать состояние его движения . Иначе пришлось признать бы справедливость альтернативной, ныне не популярной, классической теории эфира Г. А. Лоренца. Таковы основные черты теории размыкания. На новом уровне подтверждается открытая ещё в старые добрые времена истина: - "Природа не терпит пустоты". Все заполнено электровакуумом, качественно своеобразной формой материи, которая создаёт возможность движения за счёт "отталкивания" от любой точки пространства и, одновременно, обеспечивает необходимой для этого энергией. Конечно, та часть энергии, которая требуется для поддержания рабочих полей, а также для компенсации различных потерь: на электромагнитное излучение, нагревание проводов и т. д. должна поступать от "бортового" источника питания, но и её можно добыть из электровакуума, тем самым, исключая необходимость в каких-либо видах вещественного топлива.

Токи смещения, в разомкнутых системах, содержащих магнитные материалы, можно создавать не только посредством движущихся зарядов, но и другими способами используя индукционные, волновые, вращающиеся и др электромагнитные поля , что делает возможным создание безреактивных устройств других типов (например, на магнитных материалах, на движущихся или осциллирующих в конденсированных средах зарядах, на плазме и т. д).

Размыкающие силы являются неотъемлемой частью электромагнитных взаимодействий и, поэтому, могут проявлять себя на различных структурных уровнях материи, от макроскопических до атомно-молекулярных объектов и, далее, до атомных ядер и элементарных частиц.

Все полученные выводы строго обоснованы фундаментальными законами классической электродинамики и механики (см. "академический вариант" ), поэтому, имеют характер новых законов природы, которые не только являются базой для обоснования (предсказания) множества ранее неизвестных закономерностей и явлений, но служат основой для понимания   феноменов, не имеющих никакого объяснения с позиций современной науки. Вот некоторые из них:

• Мощный артиллерийский снаряд, массой около 4 кг,   при внедрении в броню выделяет тепловую энергию, в четыре с лишним раз выше кинетической (кпд более 400%). См. статью академика Российской академии ракетно-артиллерийских наук В. Яворского, "Наука и жизнь" № 10, 1998.
• Энергетическая установка Шоулдерса (А. с. № 5018180 (США)от 09,12,1991 г.)  дает в 30 раз больше электрической энергии, чем потребляет (кпд 3000%).
• Экспериментальный эффект существенного (до 35%) уменьшения "силы тяжести" при вращении "дискретно расположенных магнитов",  (см. эксперименты В. В. Рощина и  С. М. Година, опубликованные в журнале ПЖТФ, 2000, т.26, вып. 24).

Теория электровакуума открывает кажущиеся фантастическими и невозможными, но вполне реальные перспективы в самых разных областях человеческой деятельности и, предлагает неожиданные пути решения множества зашедших в тупик проблем. Приведём некоторые примеры: Создание безреактивной космонавтики. Полёт на Луну может выглядеть примерно так. Безреактивный космический корабль, стартует неподалёку от (любого) населённого пункта, не нанося ни малейшего ущерба окружающей среде, благодаря полной экологической чистоте. Первую половину пути он движется с привычным для Земли ускорением g или около этого, затем, оставшуюся половину - с таким же замедлением. Пассажиры не будут испытывать ни невесомости ни перегрузок, (разве что немного вначале пути). Приземление на Луне состоится менее, чем через четыре часа. Полёт на Венеру, в таком же режиме, займет 36 часов, на Марс - сутки, на Юпитер - шесть суток, на Плутон восемнадцать суток. Это без перегрузок, а с перегрузками - ещё короче. Станут реальными полёты к ближайшим звёздам с субсветовыми скоростями. О ревущих, изрыгающих пламя и ядовитые газы ракетах останутся лишь кошмарные воспоминания. Нынешние воздушные, наземные, водные и др. транспортные средства перейдут, в основном, на безреактивный способ движения. Откроются и новые возможности. Появятся индивидуальные летательные аппараты, возможно, в виде дополнений к одежде, обуви, предметам быта. Каждый сможет свободно передвигаться в трёх измерениях, предпочитая не ходить, а летать. Жилые дома и другие строительные объекты так же можно будет размещать в трёх измерениях. Перелётные города с наступлением холодов смогут мигрировать из северного полушария в южное и наоборот. Не составит проблем и перемещение сверхтяжёлых грузов на любые расстояния (воды для орошения пустынь, строительных материалов и пр.).

Станет неузнаваемой и энергетика (фохатная энергетика). Источники энергии, не требующие никакого вещественного топлива, займут место больших и малых современных электростанций. Получат распространение портативные и миниатюрные сверхмощные электрогенераторы для индивидуального использования (освещение, отопление и т. д.). Люди перестанут страдать от бесконечных отключений электричества и тепла в своих жилищах. Потрясают воображение энергетические способности атомных ядер. Согласно оценкам (см. "Аспекты". Возбуждение безреактивных сил вращением), один килограмм вещества, содержащего ядра обладающие определёнными структурными параметрами, может в сто раз превзойти энерговыделение всего нашего светила - Солнца (безреактивные силы таких ядер на 19 порядков превышают их вес). Ключи к энергиям

Аналогичный список может быть неограниченно продолжен. Это не футурологический прогноз, а вполне реальные перспективы связанные с неисчерпаемыми резервами, скрытыми в окружающем пространстве, которые лишь слегка приоткрывает нашему взору классическая электродинамика.

Список литературы:

1. Р. Фейнман и др. Фейнмановские лекции по физике, т.6, "Мир", 1977, с. 270.
2. И.Е.Тамм. Основы теории электричества. , М.,"НАУКА", 1989, с. 405.