К проблеме существования вихревого электрического поля

 

Заметка написана по материалам сайта К.Б. Канна «Электродинамика. Взгляд физика» [1]. Из него же взяты все формулы и рисунки. Цитаты из «Электродинамики» даются без ссылки на источник, мои замечания предварены двумя прямыми слешами.    

Проанализировав явление электромагнитной индукции в замкнутом контуре, Максвелл высказал ложную гипотезу: Изменяющееся магнитное поле, пронизывающее ограниченную проводящим контуром поверхность, порождает вихревое электрическое поле, которое и создаёт затем в контуре индукционную ЭДС. Именно вихревое потому, что магнитное поле ни при каких его изменениях не может создавать электрические заряды. Гипотеза противоречила правильно сформулированному закону электромагнитной индукции Фарадея, исходившего из того, что ток в контуре возникает вследствие пересечения им магнитных силовых линий.

К сожалению, в официальной теории электромагнетизма в качестве незыблемой истины утвердился ложный максвелловский закон индукции. Приведу лишь два примера. Справочник по физике Яворского [2]: Явление ЭМИ «... объясняется тем, что переменное магнитное поле вызывает появление вихревого индуктированного электрического поля». Энциклопедия [3]: «Вихревая составляющая Э.п. возникает при изменении во времени магн. поля:

rot Es = - (1/c) B/∂t, div Es = 0,

где В – вектор магнитной индукции».

Стремясь восстановить истину, профессор Канн [1] пишет: «Теория поля исключает возможность существования вихревого электрического поля. В замкнутом проводящем контуре генерируется не вихревое поле, а круговая потенциальная ЭДС, энергия которой целиком расходуется на тепловые потери в контуре. В бетатроне ускорение электронов осуществляет разомкнутое (спиральное) потенциальное электрическое поле»

Сокращения и термины

      Термины со значком «*» предлагаются автором в порядке обсуждения.

Э ЭДС генератора в замкнутом контуре.

• ЭМВ – электромагнитные волны.

• ЭМИ – электромагнитная индукция.

• ε0 — электрическая постоянная

• индукционный ток – синоним термина «сторонний ток». По Фарадею индукционный ток предшествует возникновению ЭДС индукции, т.е. опережает ЭДС индукции по фазе.

• консервативная система – все действующие на неё непотенциальные силы работу не совершают, а все потенциальные силы стационарны [2].

• магнитное поле – поле движущегося электрического заряда, порождаемое деформациями его электрического поля. Возможно, со временем найдут более удачный термин, чем этот – дань догме сложившихся представлений.

• неофициальная физика* – официальная физика за исключением таких гипотез, как теории относительности Эйнштейна, гипотеза Большого взрыва, гипотеза о пустоте, гипотеза об отсутствии эфира и т.п. «размышлений», выдаваемых за фундаментальные теории.

• сторонний ток ток, создаваемый сторонними силами.

• ток смещения складывается из стороннего и потенциального тока – аналога тока проводимости,

 

 

1. «Доказательства» вихревого характера электрического поля 

   

В основном законе ЭМИ по Максвеллу   

Э = - Ф/t       (1)

нет электрических зарядов, которые в трактовке Фарадея играют решающую роль. Однако, закон работает во множестве экспериментов и вариантов практического использования ЭМИ (индукция в замкнутом контуре, циклические ускорители и др.).

Доказывая разумность гипотезы Максвелла для замкнутого контура, его адепты ссылаются на положение теории поля, согласно которому работа в потенциальном поле по любой замкнутой кривой равна нулю. Работа же электрического поля по перемещению единицы заряда в замкнутом проводящем контуре, равная ЭДС индукции, отлична от нуля. Канн парирует: это положение верно лишь для консервативных полей, но не верно для диссипативных систем, в частности, для металлического проводящего контура. В учебных пособиях этот случай нигде не рассматривается. В Интернете можно найти подобное доказательство в изложении множества авторов. Вот факсимиле одно из них [4]

«Изменение магнитного потока, пронизывающего контур, может возникнуть не только в результате его движения в магнитном поле, но и при изменении величины индукции магнитного поля, пронизывающего контур. Закономерен вопрос: какова природа сторонних сил в этом случае?

Свободные электроны в проводнике находятся в хаотическом движении, на каждый электрон действует магнитная сила Лоренца, но так как движение электронов хаотическое, то сумма всех магнитных сил Лоренца, действующих на отдельные электроны, равна нулю. Поэтому магнитная сила Лоренца не может играть роль сторонней силы в случае, когда проводник неподвижен. Заставить двигаться заряды в неподвижном проводнике может только сила Кулона.

Анализируя явление электромагнитной индукции, Максвелл пришёл к выводу, что причина появления электродвижущей силы индукции заключается в возникновении электрического поля при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Следовательно, и индукционный ток также возникает под действием электрического поля, создающегося за счёт изменения магнитного поля. Как всякое электрическое поле, оно совершает работу по перемещению заряда в цепи. Однако здесь имеются и свои принципиальные особенности.

Существенной особенностью этого поля является то, что оно не является электростатическим. Силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты, они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах или в бесконечности, и в соответствии с этим работа этих сил на замкнутом контуре равна нулю. Поэтому электростатическое поле не может поддерживать движение зарядов по замкнутому контуру и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы.

Электрическое поле, возникающее в процессе изменения магнитного поля, не связано с каким-либо распределением электрических зарядов. Силовые линии электрического поля, связанного с переменным магнитным полем, не имеют начала и конца – они замкнуты наподобие силовых линий магнитного поля. Такое поле называется вихревым. Вихревое электрическое поле, возникающее в процессе электромагнитной индукции, создаёт электрический ток в замкнутом проводнике, следовательно, оно способно вызывать движение электронов по замкнутым траекториям, при этом сторонними силами являются силы вихревого электрического поля. Работа сил этого поля на замкнутой траектории не равна нулю. Именно этой работой определяется электродвижущая сила индукции в замкнутом контуре. Следует подчеркнуть, что вихревое электрическое поле при изменении магнитного потока существует независимо от того, есть ли в этом месте замкнутый контур. Контур является лишь индикатором, с помощью которого можно обнаружить наличие вихревого электрического поля». Посмотрим, так ли это.

 

 

 

2. Индукционное электрическое поле в замкнутом контуре

 

На рисунке 1a показана обычная замкнутая электрическая цепь, в которой батарея создаёт ток I = Э/R, где R – полное сопротивление контура.

      На эквивалентной схеме этой цепи (Рис. 1b) сосредоточенные параметры R и Э распределены по всей длине контура. На участке сопротивлением r = αR генерируется ЭДС

ε = aIR = Ir,        (2)

где α – доля от общей длины контура, которую составляет выделенный участок. Для всего контура α = 1 и из (2) следует закон Ома для замкнутой цепи: Э = IR.

Выделенный участок контура можно считать локальным микрогенератором с внутренним сопротивлением r. Внешнее напряжение на «клеммах» генератора

u = ε - Δφ = ε - Ir = 0.

Напряжение между любыми двумя точками замкнутого проводящего контура, в котором создаётся индукционная ЭДС, равно нулю. Вывод достаточно неожиданный, но он подтверждается экспериментом. Вся электрическая энергия, произведённая на любом участке замкнутого контура по индукционному механизму, целиком теряется на этом же участке – переходит в тепло. Каждый участок контура является одновременно и генератором, и нагрузкой. Весь индукционный контур (и любую его часть!) можно уподобить короткозамкнутому генератору, в котором вся произведённая электроэнергия расходуется на собственные нужды.

     А как же быть с положением теории поля, утверждающим, что в потенциальном поле циркуляция вектора по любой замкнутой кривой (в нашем случае это и есть ЭДС в контуре) равна нулю? Дело в том, что это положение верно лишь для консервативных полей (например, в вакууме), но неприменимо для диссипативных систем, каковой является металлический проводящий контур. В учебных пособиях этот случай нигде не рассматривается.

     Чтобы доказать вихревую природу индукционного электрического поля, сторонники максвелловской модели ЭМИ прибегают к чудесам научной эквилибристики. Автор [5], например, стал утверждать: показания вольтметра, измеряющего разность потенциалов между двумя точками индукционного кольца, зависят от того… с какой стороны (справа или слева от кольца) находится вольтметр.  

 

3. Электрическое поле в циклических ускорителях

 

Не лучше обстоит дело и с доказательством вихревого характера электрического поля в бетатронах. Ускорение электронов происходит в вакуумированной тороидальной камере, находящейся между полюсами электромагнита, который питается переменным синусоидальным током с частотой порядка 100 Гц.

Магнитное поле в бетатроне выполняет две функции: создаёт ускоряющее электрическое поле и удерживает ускоряемые электроны на круговой орбите. Ускорение электронов происходит импульсами – во 2-ю и 4-ю четверть периода. "В начале импульса в камеру подаётся из электронной пушки пучок электронов, который подхватывается вихревым электрическим полем и начинает со все возрастающей скоростью двигаться по круговой орбите. За время нарастания магнитного поля (~10-3 с) электроны успевают сделать до миллиона оборотов и приобретают энергию, которая может достигать нескольких сотен МэВ» [6].

Сомнений в том, что электроны в бетатроне ускоряются вихревым электрическим полем, никогда ни у кого не возникало. Вот определение из «Большого энциклопедического словаря» последнего выпуска [7]: «Бетатрон, циклич. ускоритель эл-нов, в к-ром ускорение производится вихревым электрич. полем, индуцируемым перем. магн. полем, охватываемым круговой орбитой частиц».

Если пренебречь электромагнитным излучением электронов и считать вакуум в ускорителе идеальным, рассуждают релятивисты, то электрическое поле в ускорительной камере можно считать консервативным. То же, что электроны ускоряются, говорит о том, что круговая ЭДС в бетатроне отлична от нуля. Следовательно, поле в ускорительной камере вихревое.

Ошибка такого анализа заключается в том, что возникающее электрическое поле зависит не только от пространственных координат, но и от времени. Его следует рассматривать в четырёхмерном пространстве Минковского, где плоская круговая траектория электрона превращается в «спираль», растянутую вдоль оси времени. Сделав полный оборот и вернувшись в ту же пространственную точку траектории, электрон оказывается в другой точке пространства Минковского, потенциал которой отличен от потенциала исходящей точки на предыдущем витке спирали. Эта разность потенциалов и определяет энергию ускорения электрона на одном витке траектории. Силовые линии такого винтового поля разомкнуты – электрическое поле и в циклических ускорителях потенциально.

Итак, в двух наиболее важных случаях использования ЭМИ мы имеем дело с потенциальным электрическим полем.

 

4. Закон ЭМИ в формулировке Максвелла не имеет физического 

    смысла

 

С тех поры, как была показана связь электрических и магнитных явлений, теоретики стали испытывать неудовлетворённость их асимметрией. Почему электрические поля разомкнуты, а магнитные – замкнуты? «Разомкнуть» магнитное поле могли бы монополи, но пока обнаружить их не удалось.

 

• Симметризация электрических и магнитных полей невозможна

По своим свойствам электрическое и магнитное поля отличаются принципиально: Магнитное поле – поле замкнутое, вихревое. Магнитная индукция характеризует момент сил. Электрическое поле по определению – силовое поле. Напряжённость электрического поля E = - grad φ, а циркуляция Edl представляет собой разность потенциалов на этом отрезке.

Из теории поля известно, что любое силовое поле всегда порождает потенциальное (энергетическое) поле. Так как электрическое поле любой конфигурации есть поле силовое, то можно сделать однозначный вывод – электрическое поле не может быть вихревым.

«Это заключение, базирующееся на основных понятиях теории поля, можно считать окончательным приговором не только вихревому электрическому полю, но и попыткам симметризации полей и самой идее их взаимодействия. Соотношение (1) лишено физического смысла».

 

• О живучести мифа о вихревом электрическом поле.

Полтора века в электродинамике использовался фантом –вихревое электрическое поле. Призрак работал и работает в трансформаторах и генераторах, в электродвигателях и ускорителях, не обладая теоретически энергетическим потенциалом и способностями к совершению работы. Учёные мужи этого так и не заметили – догма максвелловской формулировки закона ЭМИ продолжает незыблемо господствовать на страницах учебников и научных работ.   

 

 

5. Экспериментальное опровержение максвелловского закона электромагнитной индукции

 

      Я думаю для этого можно использовать любой из известных «парадоксов» ЭМИ, например, испанский [8]. Экспериментальное устройство испанских физиков включало две соосные катушки, вложенные одна в другую.

Первичная цепь состояла из внутренней катушки (I), источника постоянного тока U и реостата R. Вторичной цепью служил внешний соленоид (II) – реостат, к движку которого был подключён баллистический гальванометр G. По закону электромагнитной индукции для ЭДС имеем:

Дифференцируя выражение справа, находим:

В частности, если магнитный поток через соленоид не изменяется, ЭДС всё равно должна обнаруживаться. Однако её не было. Максвелл предсказывает – ток в контуре появится, а Фарадей возражает: тока не будет, т.к. контур соленоида не пересекается магнитными силовыми линиям. Как говорится, комментарии излишни.

 

Заключение 

 

1. Возникает вопрос, почему в теории электромагнетизма укоренилась неверная формулировка основного закона ЭМИ по Максвеллу, а не правильная по Фарадею. Потому, наверно, что электромагнитные волны в соответствии с ложной СТО Эйнштейна  распространяются в пустоте, где нет ни свободных, ни связанных зарядов. С уровня повыше ответ будет иной: это одно из великого множества следствий того, что релятивизм присвоил себе монопольное право на истину и стал преследовать оппонентов уголовно наказуемыми и иными гнусными методами.

2. Считать, что Канн строго доказал невозможность существования вихревого электрического поля, полагаю, нельзя. Однако, в новых учебниках по физике при изложении основного закона ЭМИ рекомендую исходить из представлений Фарадея.

 

Источники информации

 

1. Канн К.Б. Сайт «Электродинамика. Взгляд физика».  http://electrodynamics.narod.ru/

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1990. – 624 с.

3. Энциклопедия Физики и техники. http://femto.com.ua/articles/part_2/4644.html

4. 6.2. Универсальный закон электромагнитной индукции.

5. Ромер Р. Что измеряют «вольтметры»? Закон Фарадея для многосвязной области.   

    [Перевод из: Amer. J. Phys. December 1982. P. 1069].

6.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. – М.: Физматлит, 1978. С. 216.

7. БЭС, Физика. М.: Научное изд. БРЭ, 1999. С. 52.

    https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/6_2.html

8. Lopez-Ramos A., Menendez J.R. and Pique C. Conditions for the validity of Faraday's Law… Eur. J.  

    Phys. 29 (2008), 1069-1076.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.05.20, 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: 170520_Вихрев электр поля в прир нет