24/7
Уважаемые читатели!
На протяжении ХХ века теория Джеймса Клерка Максвелла успешно завоёвывала умы многих поколений физиков. И это вполне было заслуженно, ведь то, что невозможно было потрогать или увидеть удалось очень изящно описать. Такой подход достаточно успешно культивируется в науке, когда открытое явление в первую очередь исследуется по ее проявлениям, которые могут быть выражены в математических соотношениях. Так было с законами Ньютона, законами Кеплера, законами электричества и магнетизма. Это позволяло предвидеть, а значит и управлять!
Такой подход позволял использовать выявленные законы для конструирования различных приборов, механизмов, машин и т.д. Автор назвал бы этот процесс «Монетизацией открытия» Все радовались изменениям в жизни. Она становилась комфортнее и более разнообразной. А что касается сути открытого явления, то не редко это становилось похоже на то, что происходит уже который век с «ЗАКОНОМ ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ». О нем знают все и эти все не в состоянии сущностно его объяснить.
В предлагаемой вам статье как раз сделана такая попытка объяснить сущностно природу и взаимосвязь известных силовых полей. Буду благодарен за конструктивную критику.
Приятного чтения.
https://sci-article.ru/stat.php?i=1617511658
Теория Максвелла и корпускулярная природа электричества (гипотеза). Часть 1
2024-09-07
Утешев Игорь Петрович
Аннотация:
В настоящей статье предпринята попытка объяснить и проиллюстрировать на конкретных примерах и физических процессах теорию Максвелла в рамках корпускулярной природы электричества (наличие электрона). Представлена гипотеза, являющаяся попыткой расширить представление о нейтроне и частицах его распада в рамках «эволюционного» их происхождения. На основе предложенной гипотезы дано объяснение рассматриваемым в статье процессам, связанными с электромагнитным взаимодействием в конкретных примерах, а также представлены альтернативные объяснения явлению сверхпроводимости, распространению электромагнитного излучения, в окружающем нас пространстве и природе эфира. Также предложенная гипотеза позволила по иному взглянуть на ряд астрономических экспериментов, результаты которых стали обоснованием «Теории относительности».
Abstract:
This article attempts to explain and illustrate Maxwell's theory within the framework of the corpuscular nature of electricity (the presence of an electron) using concrete examples and physical processes. A hypothesis is presented, which is an attempt to expand the understanding of the neutron and its decay particles within the framework of their" evolutionary " origin. On the basis of the proposed hypothesis, an explanation is given for the processes considered in the article related to the electromagnetic interaction in specific examples, as well as alternative explanations for the phenomenon of superconductivity, the propagation of electromagnetic radiation in the surrounding space and the nature of the ether. The proposed hypothesis also allowed us to take a different look at a number of astronomical experiments, the results of which became the basis for the "Theory of Relativity".
Ключевые слова:
Теория Максвелла; темная материя; нейтрон; протон; электрон; нейтрино; гравитационное поле; электрическое поле; магнитное поле; электромагнитное излучение; эфир; сверхпроводимость; Теория относительности.
Keywords:
Maxwell's theory; dark matter; neutron; proton; electron; neutrino; gravitational field; electric field; magnetic field; electromagnetic radiation; ether; superconductivity; Relativity theory.
«Самое непостижимое в мире — то, что он постижим».
Альберт Эйнштейн
УДК 53; 52; 62
Актуальность, метод исследования и новизна
Актуальность настоящей статьи заключается в том, что в ней сделана попытка обосновать утверждения Джеймса Клерка Максвелла о взаимной генерации изменяющихся электрических и магнитных полей на основе корпускулярной природы электричества, доминантой которой является электрон.
Исследование данного вопроса было построено на обосновании известных (признанных) явлениях в области электричества с использованием современных представлений (XX век) о корпускулярной природе электричества и гипотезы автора о природе нейтрона и частиц его распада.
Было показано, что фундаментальная теория Джеймса Клерка Максвелла, сформированная до открытия электрона, исключила из рассмотрения глубинные процессы на уровне физических полей микромира, которые тогда, да и в настоящее время во многом остаются загадкой. На основе гипотезы и догадок был сформирован фрагмент картины природы, касающийся эволюции материи на уровне микромира.
Введение
В настоящей статье автором затронута тема, которая в той или иной степени подробности присутствует в научной литературе, посвященной как истории науки XIX и XX веков, так и во множественных научных трудах XX и XXI века.
Впитав и осмыслив достижения предыдущего периода в области математики, электричества, оптических исследований, знания о существовавших и предшествующих им представлениях об отдельных научных направлениях и достижениях в них, Джеймс Клерк Максвелл в семидесятые годы XIX века в своем научном труде обобщил и сформулировал уже свои представления о взаимосвязи электричества, магнетизма и природы электромагнитного излучения. Это событие стало своеобразным итогом многолетнего исследования электричества научными сообществами разных стран. Примечательно то, что Джеймс Клерк Максвелл еще при жизни получил заслуженное признание своих коллег. В науке это бывает, к сожалению, не часто. История науки переполнена грустными и обидными проявлениями, которые не украшают научные сообщества. В немалой степени это является следствием человеческой природы.
Уравнения Максвелла удостоились такой же чести, как и законы Ньютона (частное мнение), хотя области применения их существенно отличаются. Если законы Ньютона охватывают материальный мир видимых и осязаемых предметов, то уравнения Максвелла описывают то, что непосредственно осязать невозможно.
В связи с этим естественно возникает вопрос. А что собственно описывают уравнения Максвелла?
Электрический ток на тот момент понятен не был. Полагали, что это может быть неизвестная «электрическая жидкость». Природа электрического поля, как и магнитного до сих пор неизвестна.
Таким образом, можно утверждать, что уравнения Максвелла описывают экспериментально полученные закономерности.
Если с этой точки зрения смотреть на законы Ньютона, то аналогичное можно сказать и о силе гравитации, массе вещества. За почти триста лет все это пока «покрыто мраком».
Однако это не мешает техническому прогрессу. Есть закономерности, человечество это использует и создается новый технический продукт во всех отраслях «народного хозяйства». Жить становится лучше, и «комфорт становится доступнее».
С момента опубликования уравнений Максвелла через почти 25 лет был открыт электрон, который стал доминантой (основой) электрического тока. Это был грандиозный прорыв в микромир вещества. Электрическая жидкость осталась теперь только в истории науки. Электрон был изучен и стал очередным инструментом технического прогресса. Теперь стал понятен «источник» магнитного поля.
С открытием электрона наступил тот момент в науке, когда уравнения Максвелла можно было бы переписать (видоизменить) с учетом «вновь открывшихся обстоятельств». Но почему то этого не произошло! Даже Великий Альберт Эйнштейн в своих популярных объяснениях [1] взаимосвязи изменяющегося электрического поля и появления при этом изменяющегося магнитного поля просто исключил электрический проводник за ненадобностью.
Однако остаются физические эксперименты, результаты которых можно интерпретировать с современных позиций знания природы электрического тока. Ведь всегда интересно поставить равенство между XIX и веком XXI. При эквивалентности объяснений масштаб личности, сумевшей до открытия природы электричества описать закономерности явлений, безусловно, становится выдающимся на все времена.
Автор настоящей статьи этот путь «сравнения времен» попытался пройти (частное мнение) и к своему удивлению нашел противоречия, которые исчезают, если электрон наделить свойствами, предложенными ранее автором в [2]. Допускаю, что причиной найденных якобы противоречий может быть обычное дилетантство. А если не?
Тем не менее, автор не ставит под сомнение количественную сторону соотношений уравнения Максвелла. Для автора важны причинно-следственные связи, которые составляют в своей совокупности значительную часть Физики как науки.
В первой части статьи будут рассмотрены опыты, явившиеся предпосылкой или иллюстрацией для объяснений экспериментальных результатов при помощи теории Максвелла, а также действующие физические установки, использующие данную теорию. При описании опытов и физической установки будет особо подчеркнуто возможное противоречие, если попытаться их объяснять с современной позиции корпускулярной (электронной) природы электричества.
Во второй части статьи будет представлена гипотеза автора, описывающая природу нейтрона и частиц его распада, и позволяющая снять противоречия, отмеченные в первой части настоящей статьи.
В третьей части статьи будет дано объяснение приведенным примерам из первой части статьи с позиции предлагаемой гипотезы и корпускулярной природы электричества. Дополнительно будут рассмотрены вопросы, касающиеся природы сверхпроводимости, распространения электромагнитного излучения, природы эфира, в окружающем нас пространстве, а также с позиции предложенной гипотезы будет дана иная интерпретация ряду астрономических экспериментов, результаты которых стали частью обоснования «Теории относительности».
Поднятые в статье вопросы преимущественно излагаются на качественном уровне, то есть на уровне идеи, что соответствует названию статьи.
Краткая хронология изучения электричества до открытия электрона
«Заряд электрона, взятый по абсолютной величине, служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. … Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую внутренней структурой и размерами … Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, которые в 1897 году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника» [3]. Заряд электрона противоположен заряду протона.
В XX веке электрон утвердился как частица, которая своими свойствами «олицетворяет» электрический ток, как в веществе, так и в вакууме (сильно разреженном воздушном пространстве). При этом необходимо отметить, что движущийся электрон образует вокруг себя вихревое магнитное поле.
Впервые магнитное поле вокруг проводника электричества было обнаружено в 1819—1820 годах Хансом Эрстедом. Кроме этого ему удалось показать, что металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток (платина, золото, серебро, латунь, свинец). Эрстед обнаружил, что проявление магнитных свойств обнаруживаются даже в случае экранирования магнитной стрелки.
После этих открытий Ампер догадался скрутить проводник в виде пружины и продемонстрировать магнитные свойства соленоида, который по своим магнитным свойствам был подобен обычному магниту.
«В 1822 Ампером был открыт магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Также им было предложено усиливать магнитное поле с помощью железного сердечника, помещаемого внутрь соленоида. … В 1826 году им была доказана теорема о циркуляции магнитного поля. В 1829 Ампер изобрёл такие устройства как коммутатор и электромагнитный телеграф» [4].
Затем Майкл Фарадей экспериментируя с электрическими катушками (соленоидами) в 1831 году обнаружил электромагнитную индукцию – возникновение электричества в соленоиде в пространстве переменного магнитного поля. Майкл Фарадей демонстрировал влияние магнитных линий на характер взаимодействия электричества и магнетизма.
«Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом» [5].
Конечно, упомянутые Великие экспериментаторы не являются единственными, которые наполнили историю электричества и магнетизма своими экспериментами. В данном случае важны не только имена, но и зафиксированные даты открытий.
После этапа изучения взаимного влияния электрического и магнитного поля настала очередь Джеймса Клерка Максвелла, который был хорошо знаком с Майклом Фарадеем и не только с его экспериментами, но и его мыслями при неоднократном непосредственном с ним общении. Великий экспериментатор, к сожалению, не очень дружил с математикой, которая в XIX веке стремительно развивалась и становилась инструментом в руках инженеров, реализующих научные достижения.
Знание математики было отличительной чертой Джеймса Клерка Максвелла. Нельзя в полной мере утверждать, что электричество и магнетизм были доминантой научного интереса Максвелла. Вероятно, что широкий круг общения в научной среде и знание достижений в определенных областях позволили Максвеллу теоретически обобщить и математически оформить многолетние исследования в области электричества и света.
«В 1873 году вышел капитальный двухтомный труд Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме» (A Treatise on Electricity and Magnetism), содержавший сведения о существовавших ранее теориях электричества, методах измерения и особенностях экспериментальной аппаратуры, но основное внимание было уделено трактовке электромагнетизма с единых, фарадеевских позиций» [6]. В этом труде были представлены уравнения Максвелла в первоначальной форме.
Для его коллег, которые следили за публикациями Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме» развивал идеи, которые ранее были опубликованы им в шестидесятых годах XIX века.
Погружаясь в историческую канву, у автора настоящей статьи сложилось впечатление что, что-то подобное должен был бы написать Фарадей, но в силу его научной щепетильности и, к сожалению, недостаточной «дружбы» с математикой, а также ограничение жизненного ресурса не позволили ему подойти к этому рубежу. Максвелл же напротив был весьма целеустремлен, верил в правильность высказываемых им идей и даже их популяризировал.
«В 1870-е годы Максвелл активно занялся популяризацией науки. Он написал несколько статей для энциклопедии «Британника» («Атом», «Притяжение», «Эфир» и другие). В том же 1873 году, когда вышел «Трактат об электричестве и магнетизме», была опубликована небольшая книга «Материя и движение». До последних дней жизни он трудился над книгой «Электричество в элементарном изложении», вышедшей в 1881 году. В своих популярных сочинениях он позволял себе более вольно излагать свои идеи, взгляды на атомно-молекулярное строение тел (и даже эфира) и роль статистических подходов, делиться с читателями своими сомнениями (например, по поводу неделимости атомов или бесконечности мира)» [6].
Во всем этом чувствуется присутствие вполне профессионального подхода по «продвижению научного продукта», что с сегодняшних позиций является вполне естественным явлением.
Если первоначально «Трактат об электричестве и магнетизме» вызывал «смешенные» чувства у коллег, то предсказание существования электромагнитных волн, экспериментально открытых Герцем в 1887—1888 годах, а также предсказание эффекта давления света (как результата пондеромоторного действия электромагнитных волн), обнаруженного много позже в знаменитых опытах Петра Лебедева, положительно повлияло на отношение к высказанным идеям.
Невольно возникают параллели между «Трактатом об электричестве и магнетизме» и «Теорией относительности» Альберта Эйнштейна, подтверждение предсказания которого надо было еще ждать некоторое время после публикации.
Что касается Максвелла, то все его научные достижения были опубликованы задолго до открытия электрона! К сожалению и сам Джеймс Клерк Максвелл не дожил до этого события.
А что было бы, если Джеймс Клерк Максвелл попытался написать свои уравнения после открытия электрона? Получилось бы у него это сделать с учетом такого доминантного фактора как электрон? Это и попытался исследовать автор настоящей статьи.
Ниже будут рассмотрены некоторые практические эксперименты, которые могли быть для Максвелла «питательной средой» при формировании теоретических утверждений. Также будут рассмотрены значительно более поздние примеры (опыты).
При описании этих примеров будут использованы фундаментальные для теории Максвелла утверждения:
«Эти утверждения выражают важнейшее свойство электромагнитного поля» [7].
Токи Фуко (опыт № 1)
«Токами Фуко (или вихревыми токами) называют токи, имеющие индукционную природу, которые появляются в массивных проводниках в переменном магнитном поле» [8].
На рис. 1 показано, как в двигающемся относительно магнита проводнике возникают вихревые электрические токи.
Рис. 1 . Возникновение вихревых электрических токов [8].
Впервые вихревые токи были обнаружены французским ученым Араго Д. в 1824 году. Это явление было объяснено М. Фарадеем. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко и названы его именем. Очевидно, что на тот момент они не могли знать о существовании электрона.
В настоящее время считается, что электрон достаточно хорошо изучен. «… при таких напряжениях, какие действуют в осветительной сети, скорость движения электронов составляет 1—3 мм в секунду. В час электроны передвигаются на расстояние всего лишь около 10 м. … Направление теплового движения электронов в проводниках хаотично» [9]. В отсутствие электрического напряжения обеспечивается электрическая нейтральность проводника.
Из рис. 1 видно, что вихревые токи возникают в пространстве с изменяющимся магнитным полем. Причем ориентация вихревых токов такова, что магнитное поле, создаваемое ими, препятствует изменению суммарного магнитного поля.
С позиций сегодняшнего дня электрический ток возникает в проводнике при наличии разницы электрического потенциала. Это означает, что возникающее вихревое электрическое поле вовлекает в вихревое движение свободные электроны. Циклическое движение электронов приводит к формированию соответствующего магнитного поля, а также к разогреву проводника, что очень часто используется в промышленности.
Автор предлагает рассмотреть это явление с учетом того, что в проводнике С рис. 1 присутствуют свободные электроны, которые движутся в проводнике таким образом, чтобы возникали аналогичные вихревые токи и поля.
Необходимо напомнить, что в электричестве направление тока соответствует движению частиц с положительным электрическим зарядом. Так как далее будет рассматриваться движение только электронов, то необходимо это учитывать.
На рис. 2 схематично изображен аналог движущегося проводника C относительно магнита над ним со скоростью V, как на рис. 1. Черными кружками изображены аналоги электронов и их векторы скорости V0 (рис. 2), которые двигаются в проводнике таким образом, чтобы электроны под воздействием сил Лоренца F образовывали вихревые электрические токи (рис.2б), качественно соответствовавшие вихревым токам на рис. 1.
Рис. 2. Предполагаемое упорядоченное движение электронов, обеспечивающих вихревое электрическое поле.
Рассматривая рис. 2б (изображение в плане) можно провести аналогию взаимодействия магнита и электронов в проводнике с плывущим по воде судном, которое отталкивает перед собой воду. После прохождения судна вода возвращается в первоначальное состояние. Если это так, то естественно возникает вопрос. Какая первоначальная дополнительная сила возникает между магнитом и электронами в проводнике для создания скорости V0? Сила Лоренца в магнитном поле возникает только после приобретения электронами начального движения. Чтобы появилось это движение, на электроны должна воздействовать неизвестная сила. Вектор силы Лоренца указывает направление изменения скорости V0. В результате совместного воздействия неизвестной силы и силы Лоренца образуется вихревое движение электронов.
Необходимо отметить, что в верхнем пространстве рис. 2б происходит концентрация электронов, вызывающая электрический потенциал V1, а в нижней части рис. 2б происходит их уменьшение, вызывая электрический потенциал V2 . В этом случае V1 > V2 и возникает разница потенциалов, приводящая к движению электронов по направлению указанных стрелок на рис.2б. Таким образом, движение электронов становится замкнутым.
Если руководствоваться теорией Максвелла, то его утверждения, представленные ранее, не требуют никакой дополнительной силы. По этой теории переменное магнитное поле вызывает вихревое электрическое поле, которое и увлекает электроны.
В данном разделе автор не ставит перед собой задачу раскрыть физическую природу этой силы. Далее будут рассмотрены еще несколько примеров, где будет задан аналогичный вопрос.
Может показаться, что автор настоящей статьи излагает всем известный материал со школьной скамьи, но парадокс в том, что школьная простота не допускала разночтения и эта плотно упакованная «матрица знаний» сопровождает нас потом всю жизнь. Это в полной мере касается и автора статьи. В связи с этим прошу Вас, уважаемый читатель, потратить Ваше драгоценное время на прочтение данной статьи. Её содержание может стать тестом и для Вас.
Еще один пример, демонстрирующий возникновение индукционных вихревых токов в проводнике (опыт № 2)
На рис. 3 представлен лист алюминия на упругой опоре. Рядом с ним помещен мощный постоянный магнит. Оказывается, что при приближении магнита лист отталкивается от него, при удалении - притягивается, при смещении магнита параллельно алюминиевому листу – лист движется вслед за магнитом. При этом интенсивность взаимодействия зависит от скорости движения магнита и при медленных движениях очень мала.
«Это можно объяснить тем, что внутри проводника при изменении пронизывающего его магнитного поля возникают замкнутые вихревые токи. Они в свою очередь порождают магнитное поле, которое препятствует изменению внешнего магнитного поля, и вызывают перемещение алюминиевого листа» [10].
Рис. 3. Взаимодействие магнита и алюминиевого листа [10].
Из этого примера наглядно видно, что возникновение индукционных вихревых токов сопровождается перемещением проводника при перемещении магнита. Отметим также, что алюминий является хорошим электрическим проводником. Это означает, что в этом электрическом проводнике много свободных электронов.
Возникающая дополнительная сила, очевидно, связана с возникновением в алюминиевой пластине индукционных электрических вихревых токов, чьё магнитное поле и взаимодействует с магнитом.
Как и в предыдущем примере, вихревые токи возникают в результате упорядоченного движения электронов внутри проводника под действием магнитного поля движущегося магнита. И в этом случае уместно спросить. Какая дополнительная сила возникает между магнитом и электронами в проводнике? Можно повторить, что сила Лоренца в магнитном поле возникает только после приобретения электронами движения. Чтобы появилось это движение, на электроны должна воздействовать неизвестная сила.
Перейдем к следующему примеру.
Электромагнитная индукция (опыт № 3)
Рассмотрим пример из [10]. На рис. 4 изображена катушка из электрического проводника, подсоединенного к гальванометру и магнит.
Рис. 4. Взаимное расположение магнита и электрического проводника, подсоединенного к гальванометру [10].
«Катушку наденем на постоянный магнит и к ее выводам подключим гальванометр. Быстро снимем катушку с магнита и обнаружим, что стрелка гальванометра отклоняется в некоторую сторону на определенный угол. Так как в проводнике катушки имеются свободные носители заряда — электроны, то движение катушки приводит к перемещению их в магнитном поле. На движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца, которая и вызывает индукционный ток.
Снова наденем катушку на магнит и, оставив ее неподвижной, выдернем из нее магнит в направлении, противоположном движению катушки в первом опыте. Если начальные и конечные положения катушки относительно магнита в обоих опытах не изменились, то стрелка гальванометра отклонится в том же направлении на тот же угол.
Этого и следовало ожидать, так как второй опыт в системе отсчета, связанной с магнитом, тождественен первому. Но объяснение его в лабораторной системе отсчета другое: движущийся магнит порождает вихревое электрическое поле, а оно вызывает ток в катушке» [10].
Объяснение опытов приведено полностью и это сделано сознательно, так как природа появления тока в катушке в двух вариантах данного опыта совершенно разная. В первом варианте появление тока связано с силой Лоренца так как, передвигая катушку, мы одновременно передвигаем в пространстве и электроны в катушке. Во втором варианте электроны в катушке подхватываются вихревым электрическим полем, которое вызывает ток в катушке.
Необходимо напомнить, что для большей части XIX века об электронах еще не знали и приведенные объяснения для второго варианта данного опыта типичны для той поры.
А если бы вокруг передвигающегося магнита не было катушки, то как можно было бы зафиксировать появление вихревого электрического поля? Интересно и место его расположения относительно двигающегося магнита!
В предыдущих опытах, в которых присутствовали токи Фуко, была рассмотрена реконструкция этого явления в рамках электронной природы электричества, когда вихревое электрическое поле создавалось упорядоченным движением электронов. В этом случае требовалось наличие неизвестной дополнительной силы для создания начального движения электронов. Только создав это движение возможно появление силы Лоренца.
Если руководствоваться данной логикой, то картину появления электрического тока в катушке можно представить немного иначе. Фактически катушка представляет собой многократно скрученную металлическую проволоку, концы которой подсоединены к гальванометру. У этой проволоки имеется реальные размеры, как по длине, так и по ее сечению. В пределах это сечение одномоментно находится много свободных электронов, которые движутся хаотично при отсутствии на них внешнего воздействия.
Представим себе, что в центре катушки (там, где перемещается магнит в первом варианте) появилось внешнее воздействие на электроны в катушке, заставившее их двигаться в сторону от этого воздействия. Какое бы ни было по размеру сечение проволоки для электронов всегда будет достаточно пространства для своего перемещения. И этого радиального перемещения в сторону от внешнего воздействия достаточно, чтобы появилась сила Лоренца. Перемещение электронов от внешнего воздействия можно определить как упорядоченное. Следовательно, и направление силы Лоренца на перемещающиеся электроны будет (в среднем) одинаково. Это перемещение электронов будет вдоль намотанного в виде катушки проводника. Таким образом, может появиться электрический ток в гальванометре.
Известно, что как только перемещение магнита прекращается, то на гальванометре ток не фиксируется. Это можно объяснить тем, что внешнее воздействие прекратило меняться и стабилизировалось. В этом случае электроны не перемещаются поперек проводника (проволоки), а наступает равновесие. Электроны скапливаются на внешней части сечения проволоки, создавая баланс электрических сил отталкивания между собой и внешним воздействием. Как только начинает меняться внешнее воздействие, баланс сил нарушается и электроны приобретают соответствующее направление движения.
Важно отметить, что в данной конструкции изменение внешнего воздействия совпадает с началом (прекращением) движения магнита (изменением магнитного потока через катушку).
Как и в предыдущем опыте, вихревые токи возникают в результате упорядоченного движения электронов внутри проводника при движении магнита. И в этом случае также уместно спросить. Какая дополнительная сила возникает между магнитом и электронами в проводнике, чтобы у электронов появилась скорость и, вместе с ней, сила Лоренца?
Индукционный ускоритель (бетатрон)
«В 1941 году американским физиком Д. Крестом был спроектирован ускоритель, названный бетатроном. Он был предназначен специально для ускорения электронов, где они достигали энергии порядка 1 - 50 МэВ» [11].
Схема устройства индукционного ускорителя изображена на рис. 5а . «Основной его частью является мощный электромагнит ММ. Создаваемое им в зазоре магнитное поле симметрично относительно оси ОО. Это поле имеет также плоскость симметрии АА, проходящую в середине зазора. Обмотка электромагнита питается переменным током, частота которого имеет порядок сотен герц. … Между полюсами электромагнита находится камера К в форме тороида, откачиваемая до высокого вакуума» [7].
а) б)
Рис. 5. Схема устройства (а) [7] и иллюстрация принципа работы бетатрона (б) [12].
Общепризнано, что вихревое электрическое поле получило замечательное применение в индукционных ускорителях, или бетатронах, предназначенных для получения пучков электронов большой скорости.
Бетатрон работает следующим образом. В определенные промежутки времени, когда напряженность магнитного поля близка к нулю (B ≈ 0), из инжектора электронов (2) рис. 5б, расположенного внутри камеры, попадает пучок электронов, получаемых при помощи термоэлектронной эмиссии.
«При изменении магнитного потока в соответствии с основным положением теории Максвелла появляется вихревое электрическое поле Е и на каждый из электронов в камере ускорения действует сила еЕ. Так как линии напряженности электрического поля замкнуты, то направление силы будет все время совпадать с направлением движения, и электроны, обращаясь в магнитном поле, будут непрерывно увеличивать свою энергию. … На протяжении первой четверти периода магнитное поле нарастает и вызывает появление электрического поля определенного направления. В это время и происходит ускорение электронов. Во второй четверти периода магнитное поле убывает, и направление электрического поля изменяется на обратное. Для ускорения может быть использована лишь одна четверть периода, начинающаяся при В ≈ 0, т.е. либо первая, либо третья.» [7].
К концу периода ускорения, когда энергия электронов становится близкой к максимальной, электроны выводят с орбиты ускорения и бомбардируют ими мишень (3) рис. 5б, укрепленную внутри камеры.
Фактически во всех периодах работы бетатрона основным источником воздействия на электроны является изменяющееся магнитное поле внутри камеры К. При этом, возрастающее магнитное поле, в конечном итоге, приводит к ускорению движущихся электронов.
Это тот случай, когда осознанно совместилась теория Максвелла и корпускулярная природа электричества. В данном конкретном случае бетатрон фактически олицетворяет справедливость теории Максвелла.
Смущает только одно – существование разницы электрического потенциала в вихревом электрическом поле. Ведь ускоренное движение электрона от электрического воздействия возможно только при наличии разницы электрического потенциала. Следовательно, ускорению электрона в бетатроне должна способствовать сила, которую мы просто не идентифицируем (частное мнение).
Физическое описание процесса ускорения электронов в бетатроне будет описана в третьей части статьи на основе гипотезы, представленной во второй части статьи.
Ток смещения
Предыдущие примеры характерны тем, что в них иллюстрировалось первое утверждение из ранее приведенных, которое гласит, что всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.
«Анализируя различные электромагнитные процессы, Максвелл пришел к заключению, что должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это утверждение выражает важнейшее свойство электромагнитного поля (второе основное положение теории Максвелла)» [7].
Иллюстрацией для такого утверждения является прохождение переменного электрического тока через конденсатор (диэлектрик) рис. 6 [7]. При постоянном токе конденсатор является разрывом в электрической цепи. В электрической цепи, изображенной на рис. 6 присутствуют металлический проводник, конденсатор, лампочка, батарея и переключатель.
Рис. 6. Изменяющийся во времени ток проводимости в металлическом проводе замыкается в диэлектрике током смещения[7].
После включения батареи конденсатор будет заряжаться, и в металлическом проводе возникнет кратковременный зарядный ток. При перезарядке конденсатора в электрической цепи снова появится электрический ток в обратном направлении. При каждом переключении батареи лампочка будет давать кратковременную вспышку.
Это означает, что фактически при подключении данной электрической цепи к источнику переменного напряжения электрического разрыва в цепи не будет, и об этом будет свидетельствовать горящая лампочка. Между обкладками конденсатора (диэлектрика) появляется изменяющееся во времени электрическое поле или так называемый ток смещения. Конечно, ток смещения не является буквальным аналогом электрического тока, который образован электронами.
Согласно Максвеллу электрическое поле в конденсаторе создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости с силой, равной силе тока в металлических проводах. Другими словами, магнитное поле нашего разомкнутого контура оказывается таким же, как если бы контур был замкнут.
Рис. 7. Изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление вихревого магнитного поля [7].
Видно, что, в отличие от постоянного тока, изменяющиеся или переменные токи могут существовать и в разомкнутых контурах. При этом всякий раз, когда в разомкнутом контуре имеется ток, между его концами (обкладками конденсатора) имеется изменяющееся во времени электрическое поле или ток смещения. Таким образом, токи проводимости в металлическом проводнике замыкаются токами смещения в диэлектрике.
Плотность тока смещения jc = dD/dt (D - электрическое смещение в конденсаторе). Направление тока смещения показано на рис. 7 .
Появление вихревого магнитного поля между обкладками конденсатора может быть также объяснено на уровне движения электронов. При переменном электрическом токе обкладки конденсатора рис. 7 поочередно наполняются электронами. При перемещении электронов на обкладку конденсатора их движение начинается из центра обкладки на ее периферию. При этом движении электронов создается половина вихревого магнитного поля. Вторая половина вихревого магнитного поля создается электронами, стекающими со второй обкладки при движении к ее центру.
Таким образом, два объяснения возникновения вихревого магнитного поля описывают одну и ту же картину. Разница только в том, что объяснение с участием электронов не предполагает существование второго утверждения Максвелла - всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это конечно не означает отрицание утверждения Максвелла. Вероятно, что после открытия электрона и изучения его особенностей можно было бы попытаться второе утверждение Максвелла как-то переформулировать, хотя очевидна его красота и лаконичность.
Тем не менее, рассмотрение данного раздела наводит на мысль о том, что второе утверждение Максвелла должно, в качестве промежуточного этапа между взаимосвязью двух полей (переменного электрического и вихревого магнитного), сочетаться с присутствием электронов. Особенно это актуально при взаимодействии этих полей в вакууме. Это намек на электромагнитное излучение.
Вытеснение переменного тока (скин-эффект)
«Если в однородном проводнике с постоянным поперечным сечением имеется постоянный ток, то плотность тока одинакова в разных точках сечения проводника. Иное наблюдается при переменном токе. В этом случае плотность тока оказывается не одинаковой по сечению: она наибольшая на поверхности и наименьшая на оси проводника. Ее неравномерность тем больше, чем толще проводник и чем больше частота переменного тока, а при очень больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое. Это явление получило название скин-эффекта» [7].
В [7] этот эффект объясняется с использованием возникновения вихревого электрического поля электромагнитной индукции. На рис. 8а изображены изменяющиеся вихревые электрические и магнитные поля при усилении тока i. Возрастающая индукция В вызовет появление вихревого электрического поля Е рис. 8а. В этом случае возникающее вихревое электрическое поле E на поверхности проводника будет усиливать ток, и ослаблять его в центре проводника. При уменьшении электрического тока i в проводнике ослабевающая индукция В вызовет электрическое поле Е, которое будет направлено противоположно по сравнению с первым случаем рис. 8б, т.е. будет у поверхности противоположно току, а на оси — совпадать с током. Таким образом, при усилении, и при ослаблении тока i, вихревое электрическое поле на оси проводника препятствует, а на поверхности способствует изменениям тока, а значит, на оси проводника переменный ток слабее, а на поверхности сильнее.
Рис. 8. Объяснение вытеснения переменного тока на поверхность проводника: а - ток нарастает; б - ток убывает [7].
Для специалиста в области электричества данные рассуждения могут считаться качественно безукоризненными, так как присутствуют электрические поля, которое влияют на потоки электронов в проводнике.
Однако «расслабиться» не позволяет особенность скин-эффекта, которая заключается в том, что сконцентрировавшиеся на поверхности электроны, образующие переменный электрический ток, исключают в проводнике магнитное поле. Но если нет в проводнике магнитного поля, то это означает отсутствие переменного вихревого магнитного поля B. Благодаря переменным полям E и B электроны были «выдавлены» на поверхность проводника. Им теперь ничего не мешает обратно заполнить все сечение проводника. Однако этого не происходит!
Следовательно, и в данном случае можно предположить, что существуют физические процессы, которые и объясняют существование скин-эффекта, но эти процессы остаются вне нашего внимания.
Выводы и заключение
Рассмотренные примеры, иллюстрирующие основные принципы теории Максвелла, исторически связаны с XIX и XX веком. Необходимо напомнить, что при рассмотрении этих примеров ставилась задача объяснить происходящие в них явления, опираясь исключительно на свойство электронов при взаимодействии их с электрическими и магнитными полями. Однако к удивлению автора настоящей статьи в полной мере решить данную задачу оказалось невозможно.
При рассмотрении каждого примера (за исключением тока смещения) на определенном этапе возникали объективные трудности, требующие появления неизвестных автору сил, которые должны были бы объяснить специфику движения электронов. В рассматриваемых примерах напрашивается существование комплекса взаимодействий, между электроном и магнитным полем, включающим не только силу Лоренца.
Надо признать, что Джеймс Клерк Максвелл избавил нас от такой проблемы на протяжении всего XX века, определив своими утверждениями логическую взаимосвязь между изменяющимися электрическими и магнитными полями. И очень важно то, что эта теория является рабочей, позволяющей не только объяснять, но и количественно оценивать. Более того, включив в свои уравнения скорость света, был дан толчок для определения точного значения этой скорости, как в вакууме, так и в среде. И далее очередь дошла до Альберта Эйнштейна, сумевшего полученные экспериментальные данные облечь в еще более грандиозную теорию, царствующую уже более 100 лет.
Появление теории Джеймса Клерка Максвелла произошло весьма вовремя, и она всецело является отражением того времени. Количество перешло в качество и этому можно только восхититься.
Далее автором настоящей статьи будет предпринята попытка расширить представления об электроне в рамках его «эволюционного» происхождения, которое опирается на предыдущую статью автора [2], оформленную в виде гипотезы и отражающую на тот момент представление автора.
Литература
