Іванов Георгій Петрович
Вільні струми, що течуть у провідниках, розташованих в магнітному полі, і збуджуючі сили Ампера, вже давно і успішно (разом з пов'язаними струмами) приводять у рух наземні і водні транспортні засоби - електропоїзди, електромобілі, електроходи. Однак, поки що мало хто знає про їх прихованих резервах. Вільні струми здатні приводити в рух космічні кораблі і тримати "на вазі" на будь-якій висоті будь-які тяжкості, причому, без будь-якого забруднення навколишнього середовища речовим або енергетично сміттям. На те властивість сили Ампера, завдяки якому подібне можливо, вже давно вказав відомий фізик І. Є. Тамм, а, слідом за ним, інший відомий фізик Р. Фейнман.
Частина 1. І. Є. Тамм і Р. Фейнман про "кількості руху статичного поля" і невідома форма матерії
"Кількість руху статичного поля" це такий же камінь спотикання для сучасної фізики яким були досвід Майкельсона і "ультрафіолетова катастрофа" для фізики минулого. Це свідчення не менш глибокої кризи фізичної науки, який спіткав її сто років тому. Виявляється, що вимога виконання закону збереження кількості руху пов'язано з існуванням несвідомих до речовини і полю форми матерії.
У відомому всім студентам-фізикам курсі класичної електродинаміки "Основи теорії електрики" [1], вперше виданій ще в 1929 і багато разів, аж до останнього часу, перевидавалася І. Є. Тамм розглядає наступну ситуацію (див. Рис. 1а).
Елемент струму I1ds1 знаходиться на відстані R від перпендикулярного до нього у напрямку елементу струму I2ds2. При цьому на елемент струму I1ds1, під впливом магнітного поля, утвореного елементом струму I2ds2 буде діяти сила F1. Так як магнітне поле, утворене елементом струму I1ds1 на лінії цього струму дорівнює нулю, то дорівнює нулю і сила F2, що діє на елемент струму I2ds2. Виходить, сумарна сила (рівнодіюча розглянутої системи двох струмів) дорівнює F1, тобто відрізняється від нуля.
Описувана ситуація абсолютно аналогічна, тієї, яку розглядає Р. Фейнман в [2] (див. Рис. 1б). Різниця лише в тому, що роль елементів струму виконують не ділянки контурів, по яких тече струм (тобто рухаються по провіднику заряди), а рухаються в просторі вільні заряди q1 і q2. Елементи контурів і рухомі заряди нічим не відрізняються один від одного у відношенні створення ними магнітних полів і, що випробовуються в магнітному полі сил (Ids = qu). Точно так само відрізняється від нуля і рівнодіюча системи двох рухомих зарядів, що очевидно при порівнянні Рис. 1а і Рис. 1б. Відзначимо, що на заряди q1, q2 будуть також діяти не дають внесок у рівнодіючу і, тому не показані на кресленні, рівні по величині, протилежні за напрямком кулонівських сили.
Що ж виходить? Невже, порушення принципу рівності дії і протидії? Однак кожен, хто має якесь уявлення про фундаментальні основи фізики, вірить (включаючи автора цієї статті), що закон збереження кількості руху виконується при всіх обставинах. Відтак є якісь невраховані чинники. Що з цього приводу кажуть класики, на яких ми посилаємося.
І. Є. Тамм пише: - "... у разі постійних струмів, за потребою є замкнутими, це порушення третьою аксіоми Ньютона пов'язано лише з поданням сил взаємодії струмів як сил попарного взаємодії їх елементів. Дійсно, сили взаємодії двох замкнених струмів задовольняють принципом рівності дії і протидії ". Але Тамм, м'яко кажучи, залишив без розгляду той факт, що елементи струмів - це, в загальному випадку, не просто якісь частини замкнутих контурів, які, на його думку, не варто розглядати поза зв'язку з цими контурами - це самостійні реальні сутності, які можна уявляти собі у вигляді рухомих заряджених частинок, що і робить Р. Фейнман. Таким чином, замкнуті контури, за якими сховався Тамм, є ні що інше як декорація, що приховує суть справи від читачів його курсу електродинаміки (в інших відносинах, чудового).
Р. Фейнман демонструє інший підхід до вирішення проблеми. Він пише [2, стр303]: - "Сили, що діють на ці частинки, не врівноважують один одного, так що дія і протидія виявляються нерівними, а повний імпульс речовини повинен змінюватися. Він не зберігається. Але в такій ситуації змінюється й імпульс поля. Якщо Ви розглянете величину імпульсу, що задається вектором Пойнтінга, то вона виявляється непостійною. Однак, зміна імпульсу частинки в точності компенсується імпульсом поля, так що повний імпульс частинок і поля все ж таки зберігається. ".
Слід звернути особливу увагу на те, що мова йде зовсім не про те імпульсі і векторі Пойнтінга, який переносять електромагнітні хвилі (хвильові електромагнітні поля). У самому справі, передбачається, що частки, зображені на Рис. 1б, рухаються рівномірно і прямолінійно, так що ні про яке випромінюванні електромагнітний хвиль не може бути й мови. Те ж саме відноситься і до елементів струму, зображеним на Рис. 1а, тому що постійні струми теж нічого не випромінюють. Мова йде про імпульс неволнових, незалежних один від одного електричного і магнітного полів, який у науковій літературі відомий під назвами "прихований імпульс", "потенційний імпульс", "статичний імпульс". І. Є. Тамм у своїй книзі [1, с. 404, 405] вживає назву "кількість руху статичного поля" і пише, що "... загальна кількість руху статичного поля в цілому по необхідності дорівнює нулю". Це його думка увійшла навіть до відому п'ятитомну "Фізичну енциклопедію" під ред. А. М. Прохорова.
Таким чином, І. Є. Тамм категорично відкидає ту причину "порушення принципу рівності дії і протидії", яку Р. Фейнман вважає істиною в останній інстанції. Ось Вам і "драма ідей", що свідчить про справжню неординарності найпростішої, на першій погляд, задачі про взаємодію елементів струму. Інших варіантів рішення, крім запропонованого Р. Фейнманом, у всій ортодоксальної науці сьогоднішнього дня не існує. Хіба цей факт сам по собі не заслуговує найпильнішої уваги наукової громадськості та окремих учених?
Може бути, Фейнман все-таки має рацію? Що ж тоді не подобається Тамму? Може бути те, що центр інерції системи двох заряджених частинок, зображених на Рис. 1б, під дією результуючої сили F1, став би зміщуватися, в напрямку цієї сили, адже електричні та магнітні статичні поля при малих швидкостях часток будуть слідувати разом з ними, як прив'язані. Про який тоді законі збереження імпульсу можна говорити?
Є й інша, більш вагома, причина не вірити Фейнману. Припустимо, його концепція вірна. Тоді частки і створювані ними поля утворюють замкнену систему, кількість руху (імпульс) і енергія якої зберігаються. Звідси випливає:
dp + dG = 0
де p - імпульс речовини (часток), G - імпульс поля. Що стосується ситуації, зображеної на Рис. 1б можна записати: p = p1 + p2, де p1, p2 - імпульси частинок із зарядами q1, q2, відповідно. Підставляючи p1 = m1v1 (m1, v1 - маса і швидкість першої частки) і, враховуючи, що dp2 = 0, отримаємо:
dp1 = - dG (1)
Із закону збереження енергії випливає, що:
p12/2m1 + p22/2m2 + U = 0 (2)
де U - енергія поля. Диференціюючи (2) і, враховуючи, що співвідношення між імпульсом та енергією статичного та хвильового полів одне й те саме (див. [2, с. 302]), U = c G (с - швидкість світла), отримаємо:
v1dp1 =-cdG (3)
Зіставляючи (1) та (3), бачимо що концепція "кількості руху статичного поля" не узгоджується з законом збереження енергії тому що рівняння (3), що виражає закон збереження енергії не має рішень для швидкостей частинок, менших швидкості світла. Абсолютно ідентичний висновок у наочній і переконливій формі отримано в результаті аналізу класичного досвіду Грехема і Лахоза [3] на прикладі системи іншого роду (див. статтю). Таким чином, І. Є. Тамм прав. Його наведене вище твердження про нульовий імпульсі статичного поля виправдовується.
Виходить, Р. Фейнман помиляється. Однак, обчислення величини, яку він називає імпульсом поля G системи двох рухомих зарядів (Мал. 1б) шляхом інтегрування щільності імпульсу g = [EH] / c2 (E і H - напруженості електричного і магнітного полів) по всьому нескінченному простору дає ненульовий результат. Мало того, зміна цієї величини, що має розмірність імпульсу, відповідає зміні кількості руху частинок під дією сили Лоренца, так, що формула (1) формально виконується. Тоді, може бути, незважаючи на відсутність узгодження з законом збереження енергії, величина G все-таки, є імпульсом поля, зміна якого компенсує силу, що діє на частку і прав не Тамм, а Фейнман?
Відповідно до досліджень, наведеними в [4] і на сайті (розділ "Академічний варіант", "Аспекти" - стаття "Така думка магнітодинамічних сили"), а також в однойменній статті, величина G не є імпульсом, тому що зберігається тільки при незмінних швидкостях частинок. Наприклад, прискорення однієї з частинок (нехай навіть, настільки слабке, що ефекти випромінювання електромагнітних хвиль не грають ніякої ролі), зображених на Рис. 1б призведе до зміни магнітного поля і, як наслідок, величини G, хоча механічний імпульс системи залишиться тим самим. Таким чином, при зміні швидкості G не зберігається, отже, ця величина не може бути імпульсом, який зберігається завжди. У той же час, при сталості швидкостей, зміна величини G, названої імпульсним потенціалом, є мірою зміни механічного імпульсу частинок системи.
Підіб'ємо підсумок. Сила Лоренца (Ампера), що виникає при взаємодії рухомих зарядів (елементів струму) не зустрічає протидії з боку інших рухомих зарядів (з боку речовини). Таке її невід'ємне природне властивість. Спроба Р Фейнмана включити в систему "кількість руху статичного поля" не витримує критики, т. до таке "кількість руху", по-перше не зберігається, по-друге, не узгоджується з законом збереження енергії. Виходить, що сила Лоренца (Ампера) не знаходить протидії з боку всіх відомих сучасній науці форм матерії - речовини і поля. Іншими словами, повний імпульс речовини і поля не зберігається. Звідси висновок: закон збереження кількості руху явно і ясно вказує на існування невідомої науці форми матерії, що відрізняється як від речовини, так і від поля. Ця матерія заповнює всі фізичний простір. Вона набуває силове (імпульсне) взаємодію з речовиною, створюючи протидія відомим силам Лоренца і Ампера. Протидіюча сила лежить на тій же лінії дії, що і сила Лоренца (Ампера), дорівнює їй за величиною і протилежна за напрямком. Так просто і природно вирішується проблема нерівності дії та протидії при взаємодії рухомих зарядів (елементів струму). Отриманий висновок не гіпотеза автора. До нього невідворотно ведуть традиційні завдання класичної електродинаміки, які вирішуються традиційними методами. Невідома форма матерії, що отримала назву "електровакуум" (див. [4] або сайт), є невід'ємною структурною частиною більш загального виду матерії фізичного вакууму або, як говорили раніше - ефіру. Залишається додати, що занадто завзяті і недалекоглядні послідовники А. Ейнштейна - релятивісти-явно поспішили вигнати з науки поняття "ефір", всупереч думці свого наставника. Інакше подібні висновки вже давно були б зроблені і впроваджені в практику. Сам Ейнштейн писав, що фізика без ефіру немислима, що без нього неможливо уявити собі поширення світла, силову взаємодію на відстані і т. д. (див. у виданому російською мовою збірнику його праць статтю "Ефір та теорія відносності"). Теорія відносності, в розумінні Ейнштейна, накладає заборону не на існування ефіру, а на можливість спостереження за переміщенням, по відношенню до нього. Таким чином, на противагу прозорливому Ейнштейну, його послідовники - релятивісти - явно страждають наукової сліпотою. Сліпці вигнали ефір з науки - повернути його, справа зрячих. Заперечення ефіру еквівалентно заперечення закону збереження кількості руху.
Частина 2. Непізнанні можливості сили Ампера
Становить інтерес розглянути результуючі сили, що виникають у провідних змінні струми (металевих або неметалевих) структурах, зображених на Рис. 2а, б, в.г.
Це можуть бути лінійні (Мал. 2а, б) або об'ємні (Мал. 2в, г) вібратори (якщо довжина хвилі, відповідна частоті порушуваних струмів, набагато перевершує їх геометричні розміри) або ж резонатори (геометричні розміри відповідають умовам збудження резонансних частот). Наш розгляд стосується, в основному, вібраторів (квазістаціонарне наближення), певною мірою застосовні і до резонаторам, максимальні розміри яких не перевищують чверті довжини хвилі, так що умова малості геометричних розмірів, в грубому наближенні, все-таки виконаються. Характер сил для вібраторів і резонаторів фактично один і той же, просто, формули, отримані для вібраторів, не годяться для точних розрахунків стосовно резонаторам, але ними можна користуватися як оцінними. Важлива характерна особливість розглянутих структур полягає в тому, що струми провідності течуть у них з розімкненим контурам, збуджуючи в навколишньому просторі максвеллівським струми зміщення. У квазістаціонарному випадку, буде рівною нулю сума струмів зміщення і провідності, що перетинають поверхню, обмежену замкнутим контуром, розміри якого набагато перевершують геометричні розміри вібраторів.
Зображені на Рис. 2а, б, в, г об'єкти можна уявити собі як сукупність взаємодіючих пар зарядів, осцилюючих з малою (у порівнянні з геометричними розмірами) амплітудою. Розглянемо докладніше одну з таких пар.
Нехай заряди q1, q2 здійснюють синфазні коливальні рухи малої (в порівнянні з R) амплітуди за гармонійним законом щодо нерухомих масивних протилежно заряджених центрів див. Рис. 3. Розміри системи передбачаються малими, в порівнянні в порівнянні з довжиною хвилі, відповідної
частоті коливань зарядів. Не знижуючи спільності, можна обмежитися випадком, коли швидкості зарядів взаємно перпендикулярні (паралельні компоненти утворюють рівні по величині і протилежні за напрямком сили Лоренца, в силу чого, як побачимо нижче, дають нульовий внесок в рівнодіючу). У якийсь момент часу швидкості зарядів u1, u2, малі, у порівнянні зі швидкістю світла, будуть мати напрямки, як вказано на малюнку. Кожен з рухомих зарядів буде порушувати в навколишньому просторі магнітне поле, індукцію B якого в точці знаходження іншого заряду можна визначити за формулою:
де R - відстань між зарядами. На кожен із зарядів з боку магнітного поля, створюваного іншим зарядом буде діяти сила Лоренца FL1, FL2, так що сумарна сила Лоренца в системі FL = FL1 + FL2. Звідси після підстановок і алгебраїчних перетворення отримаємо:
(4)
Так як, за умовою задачі, заряди q1, q2 коливаються по гармонічному закону, то вони здійснюють прискорення w1, w2, індукуючи електричні поля. При цьому на заряд q2 (q1) з боку поля індукції, утвореного зарядом q1 (q2) буде діяти сила F2i (F1i):
(5)
У свою чергу, заряд q1 (q2) буде відчувати вплив, так званої, магнітодинамічних сили F1m (F2m) з боку поля заряду q2 (q1). Ця, відома з класичної електродинаміки, але рідко зустрічається на сторінках наукової літератури, сила з'являється при зміні намагніченості речовини в присутності електричного поля [5], [6]. Стосовно до прискорено рухаються зарядам, вона детально розглянута на сайті [http://www.tts.lt/ ~ nara] (розділ "Академічний варіант", "Аспекти" - стаття "Така думка магнітодинамічних сили"), а також в однойменній статті . Ця сила дорівнює за величиною і протилежна за напрямком, порушуємо нею силі індукції:
(6)
Отже, всі сили індукції компенсуються силами магнітодинамічних і, з цієї причини, не дають ніякого вкладу в рівнодіючу системи (тому, як і кулонівських сили, не показані на кресленні).
Зауважимо, що розглянуте вище індукційне електричне поле Ei, в іншому аспекті, є щось інше, як електрична компонента дипольного електромагнітного випромінювання, збуджуваного прискорено рухаються зарядом. Йому відповідає магнітна компонента Hi, вплив якої теж слід враховувати, т. до вона буде вносити свій внесок у випробовувану частками силу Лоренца. Знайдемо відношення величини сили Лоренца Fw, порушуємо магнітної компонентою хвильового випромінювання Hw, що залежить від прискорення w заряду, до сили Лоренца Fu, порушуємо магнітним полем Hu, визначеним його швидкістю u. Отримаємо:
Fw / Fu = Hw / Hu = 2p R / l = kR
де l - довжина хвилі, k - хвильове число. Звідси укладаємо, що прийняте нами умова, малості розмірів системи, в порівнянні з довжиною хвилі, дозволяє не враховувати вплив магнітної компоненти хвильового випромінювання.
Виходить так, що рівнодіючу F розглянутої системи двох зарядів визначають одні тільки сили Лоренца:
F = FL (7)
Всі інші беруть участь у взаємодії зарядів сили або взаємно знищуються, або пренебрежимо малі.
Так як, за умовою задачі, швидкості змінюються синфазно за гармонійним законом, то вважаючи, u1 = u1mcosw t, u2 = u2mcosw t (u1m, u2m - амплітуди швидкостей частинок), і, користуючись (4), можна знайти усереднену за часом рівнодіючу системи fср:
(8)
де n1, n2 - одиничні вектори вздовж прийнятих за позитивні напрямків швидкостей зарядів, nR-одиничний вектор уздовж напрямку радіус-вектора відстані між зарядами.
Формула (8) показує, що рівнодіюча системи двох рухомих зарядів, що представляє собою сумарну силу Лоренца, відмінна від нуля і має постійне напрямок.
Слід зазначити, що обмеження Rl рівнодіюча все також дорівнює сумарній силі Лоренца, хоча остання визначається вже не швидкістю, а прискоренням зарядів. Із-за явища запізнювання будуть взаємно знищуватися не миттєвий, а середні значення індукційних і магнітодинамічних сил, що не позначиться на рівнодіючої системи.
Повертаючись до вібраторів, бачимо, що діють на них сили можуть бути знайдені як результат інтегрування по парах розглянутих нами осцилюючих зарядів. Після інтегрування сили взаємодії між рухомими зарядами будуть зведені до взаємодії струмів. Звідси, рівнодіюча для систем, зображених на Рис. 2 є не що інше як результуюча сила Ампера, що діє на ділянки провідників зі струмами, які течуть у магнітних полях, створюваним іншими ділянками провідників зі струмами.
Обчислення дають такі результати для амплітудного значення рівнодіючої F вібраторів, по яких тече струм I.
Г-образний контур (Мал. 2а), зігнутий з дроту, радіусом r, за умови