Свойства и парадоксы магнитного поля

 

Заметка написана по материалам страницы К.Б. Канна «Магнитное поле: свойства и парадоксы» [1]. Из неё же взяты все формулы и рисунки. Цитаты из Поля даются без ссылки на источник, мои замечания предварены двумя прямыми слешами.    

      Современные представления о магнитном поле, считает К.Б. Канн, непоследовательны и противоречивы, неверно отражают участие магнитного поля в различных процессах и приводят к множеству «парадоксов».

   

1. Эволюция понятий о электрических и магнитных полях

   

Понятия об электрическом и магнитном поле появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. Фарадей, а затем и Максвелл ввели их, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. Поля представляли как деформации эфира, которому предписывали странные и противоречивые свойства.

В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию. Благостная картина была разрушена в начале 20-го века с появлением СТО Эйнштейна. Понятие эфира исключили из научного обихода, и мировое пространство оказалось абсолютно пустым. Чеширский кот исчез, но осталась его улыбка – взаимодействие между полями.

Чтобы сохранить СТО, поля пришлось «материализовать». Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами реальных объектов.

 

2. Понятие вихревого магнитного поля

     

     Магнитное поле в некоторой точке пространства является вихревым [1], если в ней плотность тока j ≠ 0. В уравнении rot B = μ0j все величины определяются в одной точке пространства. Математика это позволяет, реально же индукция определяется этим уравнение в сколь угодно малой окрестности точки, но, конечно, же не в ней самой.  

     Стационарное магнитное поле создаётся, в частности, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. Внутри провода поле не определено, а снаружи имеет безвихревой характер и ослабевает с удалением от него. Вместе с тем отсутствие магнитных зарядов (div H = 0) не позволяет ему быть и потенциальным. «Что же это за странный объект, который не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля?».

 

3. Два механизма взаимодействие магнитного поля с электрическими зарядами

 

Ампер обнаружил силовое действие магнитного поля на провод с током в 1820 году. Анализируя результаты его работ, Лорентц построил теорию взаимодействия магнитного поля с одиночными зарядами. Для силы воздействия магнитного поля с индукцией B на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v, была найдена формула

FL= q[v, B]         (1)

     Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как эта. Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то, говорят, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может //Не только может, но и совершает. Чтобы удержать частицу на круговой орбите нужно всё время «подталкивать» её к центру, затрачивая на это какое-то количество энергии.

Неясно и многое другое, в частности: природа пондеромоторных сил (сил взаимодействия между проводами с токами) и природа самой силы Ампера, работающеё во всех электродвигателях.

     

3.1. Попытка разрешить противоречие

Ситуацию пытались прояснить в [2]: «... роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению ЭДС, оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии с высказанным утверждением о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что сила Лоренца представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью движения проводника. Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода».

«Аккуратный анализ такого объяснения показывает, что оно не устраняет противоречие. Я не стану приводить здесь этот анализ. Ограничусь лишь мысленным экспериментом, менее «научным», но достаточно убедительным».   

 

     Допустим, в магнитном поле В со скоростью v1 движется проводник (Рис. 1). Чтобы создать ЭДС, нужно переместить электроны на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость v2 вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: с появлением составляющей v2 скорость электрона стала бы равной v0> v1, что противоречит зависимости (1). //Я бы не стал возражать против точки зрения «Савельева». Механическое перемещение проводника приводит к появлению двух сил Лорентца – одна разделяет «вправо-влево» заряды, другая через возникший ток препятствует перемещению проводника.

 

3.2. Классический механизм действия магнитных полей на заряды

Заявляя, что «существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле», Канн рекомендует использовать представления основоположников электродинамики и цитирует Максвелла:  

 «<Фарадей> открыл, что в среде <содержащей поле> имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению верёвки, в направлении силовых линий, соединённом с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных» [3].

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 2а показана положительно заряженная частица, движущаяся от нас в однородном магнитном поле B0.

 

Она создаёт собственное магнитное поле B1, которое, складываясь с полем B0, образует неоднородное результирующее поле B=B0+B1. Градиент поля направлен вниз. Рис. 2а похож на Рис. 2б (учебник Калашникова [4]), на котором иллюстрируется взаимодействие магнитного поля и проводника с током – сила Ампера.

     В таком поле существует градиент магнитного давления. В результате на заряд действует сила FM, направленная противоположно этому градиенту. Можно показать, что по величине и направлению эта сила совпадает с силой Лоренца. Но это совпадение – лишь количественное. В отличие от силы Лоренца сила FM – это сила магнитного давления, которая может совершать работу над движущимися заряженными частицами.

Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Оставаясь в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли посредника, который передаёт усилие от внешнего поля заряду.  

     Замена силы Лоренца силой магнитного давления – лишь косметический ремонт модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Например, выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.

 

Есть ли структура у магнитного поля?

 

Явление ЭМИ объясняют с помощью двух моделей – Максвелла и Фарадея. В модели по Фарадею магнитное поле мыслится в виде определённой структуры, задаваемой силовыми линиями. Максвелл же считал магнитное поле бесструктурным объектом. Одним из его сторонников был академик И.Е. Тамм. Критикуя «механизм пересечения», Тамм утверждал: «… 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» [4]. Следует заметить, что такая точка зрения не помешала в своё время «материализовать» магнитное поле, присвоив ему массу, импульс и прочие свойства материального объекта.

      Механизм ЭМИ по Максвеллу оказался неспособным объяснить известные парадоксы электродинамики, например, Геринга и Фарадея. Поэтому следует использовать механизм пересечения.

 

Магнитное поле в космосе

 

Большинство «парадоксов» электромагнитной индукции связано с идеей взаимодействия полей. Механизм пересечения предполагает участие заряженных частиц. По СТО Эйнштейна ЭМВ распространяются в пустом пространстве. Допустим. Но тогда возникает вопрос – как в пустоте образуется ток, создающий магнитное поле, – одну из составляющих электромагнитных волн? Релятивисты предпочитают об этом помалкивать, как и о множестве других чудес и фантазий.

    

Источники информации

 

1. Канн К.Б. Магнитное поле: свойства и парадоксы.

    http://electrodynamics.narod.ru/magnetic-field.html

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1978. – С. 177.

3. Максвелл Д.К. Статьи и речи. – М.: Наука, 1968. – С. 59.

4. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учебное пособие для вузов. – М.: Физматлит, 2003.      

     С. 546.

 

26.05.20, C:\Users\User\Documents\1_Все отрасли знания\1_наука и техника\1_физика\М О И   С Т А Т Ь И_физика\ОРИГ МОИХ СТАТ _ФИЗИКА\электродинамика\Канн. 250520_Свойства и парад магн поля.docm