Про реальну структурі електромагнітного поля і його характеристики р

Про РЕАЛЬНОЇ структури електромагнітного поля та його характеристики РОЗПОВСЮДЖЕННЯ У ВИГЛЯДІ ПЛОСКИХ ХВИЛЬ

В.В. Сидоренков

МГТУ ім. Н.Е. Баумана

Встановлена ​​реальна структура електромагнітного поля, що представляє собою векторне чотирьохкомпонентні Електродинамічне поле, що складається з функціонально пов'язаних між собою складових полів: електричної та магнітної напруженості, електричного і магнітного векторного потенціалу. Розглядається фізично очевидний і принципове питання про параметри та характеристики розповсюдження хвиль конкретних складових реального електромагнітного поля.
В даний час встановлено, що стосовно повноти охоплення при описі спостерігаються в Природі явищ електромагнетизму, поряд зі звичайною системою рівнянь електродинаміки Максвелла електромагнітного (ЕМ) поля з компонентами електричної та магнітної напруженості [1]:
(A) , (B) , (1)
(C) , (D) ,
існують і інші системи польових рівнянь [2 - 4], концептуально необхідні при аналізі та адекватному реальності фізико-математичному моделюванні електродинамічних процесів в матеріальних середовищах. Рівняння в тих інших системах розглядають такі області простору, де присутні або тільки поле ЕМ векторного потенціалу з електричної та магнітної компонентами:
(A) , (B) , (2)
(C) , (D) ;
або електричне поле з компонентами і :
(A) , (B) , (3)
(C) , (D) ;
або, нарешті, магнітне поле з компонентами і :
(A) , (B) , (4)
(C) , (D) .
Тут і - Абсолютні діелектрична і магнітна проникності середовища, відповідно, - Питома електрична провідність, - Постійна часу релаксації заряду в середовищі за рахунок електропровідності.
Основна і відмінна особливість рівнянь систем (2) - (4) в порівнянні з традиційними рівняннями Максвелла ЕМ поля (1) з фізичної точки зору полягає в тому, що саме вони, використовуючи подання про поле ЕМ векторного потенціалу, здатні послідовно описати різноманіття електродинамічних явищ нетепловий природи в матеріальних середовищах, обумовлених електричної або магнітної поляризацією і передачею середовищі моменту ЕМ імпульсу, зокрема, що реалізуються в процесі електричної провідності [4, 5].
Принципово і вельми суттєво тут те, що всі ці системи електродинамічних рівнянь, зокрема, і система (1) для локально електронейтральних середовищ ( ) Безпосередньо випливають з фундаментальних вихідних співвідношень первинної взаємозв'язку ЕМ поля і поля ЕМ векторного потенціалу [2 - 4]:
(A) , (B) , (5)
(C) , (D) .
Очевидно, що представлена ​​система співвідношень може служити основою для інтерпретації фізичного змісту поля ЕМ векторного потенціалу [3], з'ясування його ролі і місця в явищах електромагнетизму. Проте найголовніше і унікальне в них те, що всі разом ці співвідношення являють собою систему базових диференціальних рівнянь, що описують незвичайне з точки зору загальноприйнятих позицій вихровий векторне поле, що складається з чотирьох функціонально пов'язаних між собою вихрових векторних компонент , , і , Яке умовно назвемо реальне електромагнітне поле.
Об'єктивність існування вказаного поля однозначно ілюструється зазначеними системами рівнянь (1) - (4) і одержуваними з них співвідношеннями балансу:
для потоку ЕМ енергії з рівнянь системи (1)
, (6)
для потоку моменту ЕМ імпульсу з рівнянь системи (2)
div ,              (7)
для потоку електричної енергії з рівнянь системи (3)
div , (8)
і, нарешті, для потоку магнітної енергії з рівнянь системи (4)
div .                   . (9)
Як бачимо, співвідношення (5) дійсно слід вважати фундаментальними рівняннями зв'язку компонент реального електромагнітного поля, що базується на вихідній своєю складовою - поле векторного потенціалу, що складається з двох взаємно ортогональних електричної та магнітної векторних польових компонент. При цьому полі векторного потенціалу своїм існуванням реалізує функціонально пов'язані з ним інші складові єдиного поля: електромагнітне поле з векторними компонентами і , Електричне поле з компонентами і , Магнітне поле з компонентами і .
Цікаво, що обговорювана тут структура і взаємозв'язок складових реального електромагнітного поля зберігається і в статичній асимптотики. Логіка побудови систем польових рівнянь для стаціонарних складових даного поля і аналіз фізичного змісту таких рівнянь викладені, наприклад, в роботі [6].
Форма представлених систем рівнянь (1) - (4) говорить про існування хвильових рішень для всіх компонент ЕМ поля , , і . У цьому можна переконатися, взявши, як зазвичай, ротор від одного з роторних рівнянь будь-якої системи, і після чого підставити в нього інший роторний рівняння тієї ж системи. Наприклад, в якості ілюстрації отримаємо для системи (2) хвильове рівняння відносно :
.
Тут, згідно (2c), , - Оператор Лапласа, а - Фазова швидкість поля хвилі в відсутність поглинання. Отже, тим самим описуються хвилі для конкретної складовою реального електромагнітного поля за допомогою однієї з парних комбінацій чотирьох зазначених хвильових рівнянь. У підсумку виникає фізично очевидне питання, що це за хвилі, і які характеристики їх розповсюдження?
У зв'язку з цим розглянемо хвильовий пакет плоскої лінійно поляризованої, наприклад, електричної хвилі, що розповсюджується вздовж осі 0X з компонентами і для системи (3) або магнітної хвилі з компонентами і для системи (4), які представимо комплексними спектральними інтегралами. Тоді, наприклад, для рівнянь електричного поля (3) зазначені інтеграли мають вигляд:
і , (10)
де і - Комплексні амплітуди.
Підставляючи їх в рівняння (3a) і (3c), приходимо до співвідношень і . Відповідна підстановка аналогічних (10) інтегралів для магнітного поля і в рівняння (4а) і (4c) дає і . Таким чином, отримуємо для обох систем загальне для них вираз:
У конкретному випадку середовища ідеального діелектрика ( ) З урахуванням формули для обох систем з слід звичайне дисперсійне співвідношення [1], що описує однорідні плоскі хвилі електричного або магнітного полів. При цьому зв'язок комплексних амплітуд компонент зазначених хвильових полів має специфічний вигляд:
і .
Специфіка у тому, що при поширенні в діелектричній середовищі компоненти поля зсунуті між собою по фазі на π / 2. Звичайно, математично даний результат тривіальний, оскільки компоненти поля ЕМ напруженості і поля векторного потенціалу пов'язані між собою за допомогою похідної за часом (див. співвідношення (5c) і (5d)). Однак концептуально з фізичної точки зору це несподівано і вимагає всебічного аналізу.
Справедливості заради слід сказати, що вперше про можливість реального існування чисто магнітної поперечної хвилі з двома її компонентами і , Зсунутими при розповсюдженні по фазі на π / 2, офіційно у вигляді пріоритету на відкриття заявив Докторович ще в 1980 році, і цей факт він з дивною завзятістю, гідною кращого застосування, безуспішно намагається донести до інших, посилаючись на пріоритет і свою статтю з цієї темі, скрізь публікується багато років (наприклад, [7]). Сумно, але тільки Час - вищий суддя, і саме воно розставить всіх і все по своїх місцях! Будемо сподіватися, що незалежне підтвердження цього наукового досягнення Докторович в представленому тут дослідженні буде для нього серйозною підтримкою в спілкуванні з опонентами.
Відповідні аналогічні вищенаведеним міркування тепер вже для ЕМ поля з компонентами і системи (1) і для поля векторного потенціалу з компонентами і системи (2) дають остаточно співвідношення , і , . У результаті для цих двох систем рівнянь знову отримуємо стандартне вираз:
Для діелектричної середовища ( ) Дисперсійне співвідношення для хвильових рішень рівнянь систем (1) і (2) також буде звичайне , Що описує режим поширення компонент поля ЕМ напруженості і поля векторного потенціалу у вигляді однорідних плоских хвиль. При цьому зв'язок комплексних амплітуд рішень системи (1) має стандартний вигляд [1] і для системи (2), а самі хвильові рішення описують хвилі, компоненти поля яких синфазно поширюються в просторі. Причому, згідно співвідношенням (5c) і (5d), хвилі поля ЕМ напруженості зрушені по фазі на π / 2 від хвиль векторного потенціалу, що і призводить до вищевказаної певної специфіки в поведінці компонент полів електричної та магнітної хвиль.
Легко переконатися, що для провідного середовища ( ) У асимптотики металів ( ) Дисперсійне співвідношення для всіх систем рівнянь має звичайний в такому випадку вид [1], де . Тоді зв'язку комплексних амплітуд запишуться для систем (3) і (4) як і , А для (1) і (2) і .
Як бачимо, в даному випадку поширення хвиль всіх чотирьох складових реального електромагнітного поля підпорядковується теоретично добре вивченого закону для плоских хвиль ЕМ поля в металах [1], коли хвильові рішення для провідного середовища мають вигляд експоненціально затухаючих в просторі плоских хвиль зі зсувом фази між компонентами на π / 4.
Таким чином, як видається, нам вдалося провести серйозну концептуальну модернізацію основних поглядів про структуру і властивості електромагнітного поля в класичній електродинаміці, де, зокрема, показано, що, в Природі немає електричного, магнітного або іншої складової реального електромагнітного поля з одного польовою компонентою. Структурно ці чотири складові принципово складаються з двох векторних взаємно ортогональних польових компонент, завдяки яким для конкретної складової реалізується об'єктивно необхідний спосіб її існування, принципова і єдина можливість поширення у вигляді потоку відповідної фізичної величини, у разі динамічних полів - за допомогою поперечних хвиль.
Узагальнюючи отримані результати, приходимо до висновку про те, що сукупність полів, обумовлена ​​співвідношеннями (5), дійсно є чотирьохкомпонентний векторним електромагнітним полем, що розповсюджується в просторі у вигляді єдиного хвильового процесу, а тому з концептуальної точки зору розділення реального електромагнітного поля на складові його поля в певній мірі умовно. Однак з позицій загальноприйнятих фізичних уявлень і практики аналітичного опису явищ електромагнетизму поділ цього поля на двокомпонентні складові у вигляді електричного, магнітного, електромагнітного та векторного потенціалу полів однозначно необхідно і, безумовно, зручно, оскільки диктується об'єктивним існуванням конкретних електромагнітних явищ і процесів, що реалізуються за допомогою розглянутих двокомпонентних складових. До речі, з приводу запропонованої назви обговорюваного тут електродинамічного поля. На нашу думку, очевидно, що серйозних проблем не повинно виникнути, якщо в перспективі обговорюване полі збереже за собою і традиційне нинішню назву - електромагнітне поле.

Література:
1. Матвєєв А. М. Електродинаміка. М.: Вища школа, 1980. 383 с.
2. Сидоренков В. В. Узагальнення фізичних уявлень про векторних потенціалах в класичній електродинаміці / / Вісник МГТУ ім. Н.Е. Баумана. Сер. Природничі науки. 2006. № 1. С. 28-37.
3. Сидоренков В. В. Фізичні основи теорії поля векторних потенціалів в класичній електродинаміці / / Матеріали IX Міжнародної конференції «Фізика в системі сучасної освіти». Санкт-Петербург: РГПУ, 2007. Т. 1. Секція "Професійне фізичну освіту". С. 127-129.
4. Сидоренков В. В. Фундаментальні основи електродинамічної теорії нетеплового дії електромагнітних полів на матеріальні середовища / / Вісник Воронезького державного технічного університету. 2007. Т.3. № 11. С.75-82.
5. Сидоренков В. В. Розвиток фізичних уявлень про процес електричної провідності в металах / / Вісник МГТУ ім. Н.Е. Баумана. Сер. Природничі науки. 2005. № 2. С. 35-46.
6. Сидоренков В. В. Гіпотетичне побудова рівнянь теорії поля стаціонарних електромагнітних явищ / / XLIV Всеросійська конференція з проблем математики, інформатики, фізики та хімії: Тези доповідей. Секція «Теоретична фізика». М.: РУДН, 2008. С. 96-97.
7. Докторович З. І. Неспроможність теорії електромагнетизму і вихід із глухого кута / / http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4797.html.