Что такое электричество?

Не тому следует удивляться, что к этим уравнениям

было что-то прибавлено, а гораздо более тому, как

мало было к ним прибавлено

Л.Больцман. Примечания к работам Максвелла.

Несмотря на бесспорные успехи современной теории электромагнетизма, создание на ее основе таких направлений, как электротехника, радиотехника, электроника, считать эту теорию завершенной нет оснований. Основным недостатком существую-щей теории электромагнетизма приходится считать отсутствие модельных представлений, непонимание сути электрических процессов; отсюда – практическая невозможность дальнейшего развития и совершенствования теории. А из ограниченности теории вытекают и многие прикладные трудности.

Оснований для того, чтобы полагать теорию электромагнетиз-ма верхом совершенства, нет. В самом деле, в теории электромаг-нетизма накоплен ряд недомолвок и прямых парадоксов, для которых придуманы весьма неудовлетворительные объяснения, или таких объяснений нет вовсе.

Например, как объяснить, что два взаимно неподвижных одинаковых заряда, которым полагается отталкиваться друг от друга по закону Кулона, на самом деле притягиваются, если они вместе движутся относительно давно покинутого источника? А ведь притягиваются, потому что теперь они – токи, а одинаковые токи притягиваются, и это экспериментально доказано (рис. 12.1).

F _А

F _К

+q +q v

а) б)

+q +q

F _К v

F _А

q ₁ q ₂ μ_о i ₁ i ₂ l дq ₁ дq ₂

F _К = ——— F _A = – ———; i ₁ = ——; i ₂ = ——

4πε_о r ² 4π r дt дt

Закон Кулона Закон Ампера

Рис. 12.1. Электрическое взаимодействие зарядов: Два покоящихся относительно друг друга одинаковых заряда отталкиваются друг от друга по закону Кулона (а), но, двигаясь вместе, они притягиваются по закону Ампера (б). Почему?

Почему энергия электромагнитного поля, приходящаяся на единицу длины проводника с током, создающим это магнитное поле, стремится к бесконечности, если обратный проводник ото-двигать? Не энергия всего проводника, а именно приходящаяся на единицу его длины, скажем, на один метр, причем сама величина тока при этом не играет роли.

Как решить задачу о распространении электромагнитных волн, излучаемых диполем Герца (то есть диполем с сосредото-ченными параметрами), помещенным в полупроводящую среду? Несмотря на тривиальность постановки, задача об излучении диполя Герца в полупроводящей среде никем и никогда не была решена, попытки решить ее в общем виде неизменно кончались неудачей. Написанные в учебниках и справочниках решения скомпилированы из двух решений на основе «здравого смысла», а вовсе не получены как строгое решение. А ведь решив эту задачу, можно было бы получить многие частные результаты – излучение диполя в идеальной среде при отсутствии активной проводимости, затухание плоской волны в полупроводнике при бесконечных расстояниях от диполя и ряд других (в отдельности без связи друг с другом некоторые из этих задач решены).

Не решены предельные задачи о возникновении магнитного поля в пульсирующем электрическом поле и о возникновении электрического поля в пульсирующем магнитном поле, об электрическом потенциале, наводимом в пульсирующем магнитном поле на одиночный проводник и многие другие.

Методология электродинамики не всегда отличается последовательностью.

Например, статический постулат Максвелла (теорема Гаусса), помещаемый в учебниках теоретических основ электродинамики в раздел статики, после представления его в дифференциальной форме помещается уже в раздел динамики, хотя последняя форма представления по физической сущности ничем не отличается от предыдущей. В результате игнорируется запаздывание в значении электрического потенциала D при перемещении зарядов q внутри охваченного поверхностью S пространства.

А что такое «векторный потенциал»? Не скалярный потенциал, который есть работа по перемещению единичного заряда из бесконечности в данную точку пространства, а именно векторный? Какой он имеет физический смысл, кроме того, что он должен удовлетворять некоторым математическим условиям?

Изложенные моменты, а также и некоторые другие соображения не позволяют считать развитие теории электромаг-нетизма, как и всякой науки, полностью завершенным. Однако дальнейшая эволюция ее возможна лишь на основе детального качественного рассмотрения процессов, происходящих в электромагнитных явлениях.

Полезно напомнить, что мы и сегодня и уже много лет пользуемся теорией, которую в законченном виде Дж.К.Максвелл изложил в своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме», вышедшем в свет в 1873 году. Но мало кому известно, что Максвелл никогда и ничего не постулировал, как сейчас любят фантазировать некоторые теоретики, все его выводы опирались на чисто механические представления об эфире, как об идеальной невязкой и несжимаемой жидкости, о чем Максвелл в своих трудах неоднократно пишет.

Фактически теория электромагнетизма остановилась в своем развитии на уровне Максвелла, использовавшего механические представления первой половины ХIХ столетия. Появившиеся в ХХ столетии многочисленные учебники по электротехнике, электродинамике и радиотехнике совершенствуют (или ухудшают?) изложение, но ничего не меняют по существу.

Чего же не хватает в теории электромагнетизма сегодня? Не хватает прежде всего понимания того, что всякая модель, в том числе и модель электромагнетизма, разработанная Максвеллом, имеет ограниченный характер, а следовательно, может и должна совершенствоваться.

Максвелл оперировал понятиями эфира как идеальной, т. е. невязкой и несжимаемой жидкости. А эфир оказался газом, причем газом и вязким, и сжимаемым. Это значит, что представления Максвелла об электромагнитных процессах частичны, как и всякие представления о любых предметах и процессах, а его уравнения приближенны, как и всякие уравнения. Поэтому необходимо совершенствовать модельные представления электромагнетизма. Тогда появляется возможность не только понять, что такое электромагнитные явления, но и уточнить уравнения, их описывающие.

Использованные Максвеллом представления Г.Гельмгольца о том, например, что вихри не образуются и не исчезают, а только перемещаются и деформируются, о том, что по всей своей длине произведение циркуляции на площадь поперечного сечения вихря остается величиной постоянной, далеко не всегда верны. В реальном газе вихри и образуются, и исчезают, а это Максвеллом не учтено. Уравнения Максвелла не отражают процесса в объеме, так как и первое, и второе уравнения Максвелла рассматривают процесс в плоскости. Правда, затем эта плоскость поворачивается в осях координат, что и создает эффект объемности, но на самом деле суть от этого не меняется, плоскость остается плоскостью. Если бы процесс рассматривался в объеме, то надо было бы рассмотреть изменение интенсивности вихря вдоль его оси, тогда были бы в какой-то степени охвачены процессы вихреобразования и распада вихрей. Но именно это и отсутствует в уравнениях Максвелла. А поэтому те задачи, в которых возникают эти вопросы, например, задача о диполе Герца в полупроводящей среде, принципиально не могут быть решены с помощью уравнений Максвелла.

В качестве примера можно привести взаимодействие проводников с токами. Как известно, если в параллельных проводниках токи проходят в одинаковом направлении, то проводники сближаются, а если в разных, то отталкиваются. Никакого физического объяснения теория не дает, хотя и дает все необходимые численные величины.

Не учтен Максвеллом и факт непосредственного взаимодей-ствия проводника с магнитным полем в момент пересечения проводника этим полем. Закон Фарадея, являющийся прямым следствием первого уравнения Максвелла, в этом смысле есть описательный, феноменологический закон, закон дальнодейст-вия, поскольку в нем изменение поля происходит в одном месте, внутри контура, а результат этого изменения – ЭДС оказывается на периферии контура. И сегодня уже известны значительные расхождения между расчетами, выполненными в соответствии с законом Фарадея, и результатами непосредственных измерений. Разница в некоторых случаях составляет не один или два процента, а в несколько раз!

Сегодня эфиродинамика позволяет наглядно представить некоторые электромагнитные процессы в виде газомеханических моделей, сведя, таким образом, всю электродинамику к механике реального, т.е. вязкого и сжимаемого газа – эфира.

На рис. 12.2 изображена структура электрического поля, в котором находится электрон.

Рис. 12.2. Электрон в трубке электрического поля

Электрон разворачивается в трубке электрического поля и ускоряется им. Поскольку электрическое поле распространяется вдоль направления трубки со скоростью света (скорость второго звука в эфире), то сразу становится понятным, что с его помощью разогнать электрон или другие электрически заряженные частицы до более высоких скоростей нельзя принципиально, ибо сила воздействия поля на частицу будет убывать с уменьшением скольжения поля относительно частицы по закону

Е = Е ₀ (1 – v ²/ c ²),

где Е – сила воздействия поля на единицу заряда во время его движения со скоростью v, Е ₀ – та же сила при отсутствии движения, c – скорость света..

Если v = c, то сила просто отсутствует и частица тормозится сопротивлением эфира, как бы ни повышать напряженность поля.

Таким образом, отсутствие сверхсветовых скоростей частиц в ускорителях является не следствием увеличения ее массы, как это трактуется, а следствием примененного метода, точнее, следстви-ем полного непонимания процессов, происходящих в ускорителе.

Если учесть, что электрическое поле представляет собой набор вихревых трубок эфира, в которых по центру эфир перемещается от источника, а по периферии – к источнику, а свободный электрон представляет собой тонкое винтовое вихревое кольцо, ориентированное электрическим полем, то дальше картина получается простой: потоки эфира, создаваемые электроном, выходят из проводника и взаимодействуют с подобным же электроном в другом проводнике (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Взаимодействие электронов в параллельных проводниках: а – при протекании токов в одном направлении; б – при протекании токов в противоположных направлениях

За счет градиента скоростей получается разность давлений в эфире по сторонам второго электрона, и в зависимости от ориентации электронов в двух проводниках относительно друг друга они или сближаются, или отталкиваются, передавая свой импульс молекулам металла. Механизм взаимодействия проводников оказывается прост и понятен. Но тогда электрический ток это не только и не столько смещение зарядов, но еще и их упорядоченная ориентация в пространстве. Такого понятия в электромагнетизме до сих пор не было.

В качестве примера полезности эфиродинамических представлений можно привести взаимоиндукцию проводников. В настоящее время такого понятия в электротехнике нет, есть представление о взаимоиндукции контуров. Если в проводнике течет ток, то вокруг него образуется магнитное поле. Эдс во втором проводнике появляется как результат пересечения этим полем второго проводника. Это существенно другая картина, чем описанная в учебниках, где такое пересечение вообще не рассматривается. Но тогда некоторые зависимости, например, при взаимоиндукции контуров, оказываются существенно иными, чем у Максвелла, и это подтверждено экспериментами. Это легко увидеть на примере закона Фарадея.

В соответствии с законом Фарадея пульсирующее поле в контуре создает на его периферии эдс, пропорциональную скорости изменения поля и площади контура. На самом деле такого процесса в природе вообще не существует, его нельзя вообще создать. Процесс идет иначе (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Наведение ЭДС в контуре: а – по Максвеллу и Фарадею; б – в реальности

В первичной обмотке появляется ток, и вокруг нее начинает появляться магнитное поле. Силовые линии поля начинают сгущаться к центру, пересекая по дороге проводники второго контура, за счет чего и появляется ЭДС на вторичной обмотке. А это другая зависимость.

Подобных примеров много.

Меньше всего эти упреки можно отнести к самому Дж.К.Максвеллу или другим выдающимся исследователям электромагнетизма. Они свое дело сделали. Теория электромагнетизма Максвелла оказалась столь хороша, что на ее основе создан ряд главнейших областей современной науки, решено громадное количество прикладных задач, воспитаны поколения исследователей. Но эти упреки справедливы по отношению к последующим поколениям ученых, вообразивших, что Максвеллом сделано все, и не развивающих учение Максвелла дальше.

Не вдаваясь в детали, можно отметить, что привлечение представлений об эфире как о вязкой сжимаемой среде уже позволило уточнить некоторые представления теории электромагнетизма, в частности, разрешить некоторые из перечисленных выше парадоксов, а также предложить некоторые новые направления.

Движущиеся заряды, например, хоть и продолжают оставаться неподвижными друг относительно друга, движутся относительно эфира, вот поэтому и возникает магнитное поле, которое начинает их сближать.

Оказалось, что в ближней зоне излучателей возникает продольное электрическое поле, в котором вихри эфира еще только образуются. В таком поле вектор электрической напряженности расположен не поперек направления движения энергии, а вдоль него. И только на некотором расстоянии от излучателей в результате векторного сложения таких полей образуется волна, в которой вектор электрической напряженности расположен уже перпендикулярно направлению распространения энергии.

Выяснилось, что вследствие сжимаемости эфира магнитное поле тоже может сжиматься, и это сжатие вполне заметно даже для полей, создаваемых токами в десятые доли ампера. Экспериментальная проверка закона полного тока, который, как выяснилось, никогда и никем не проверялся в силу его очевидности и который непосредственно вытекает из второго уравнения Максвелла, показала, что точно этот закон соблюдается только при исчезающе малых напряженностях магнитного поля. Даже в обычных случаях отличия реальных напряженностей поля от вычисленных по этому закону могут быть очень большими, что далеко выходит за пределы возможных погрешностей измерений или не учета краевых эффектов.

Появилась возможность рассчитать ЭДС, возникающую на проводнике, помещенном в пульсирующее магнитное поле, и эксперименты подтвердили правильность этих расчетов.

Оказалось возможным создать понятие «взаимоиндукции проводников», хотя в электродинамике существует лишь понятие «взаимоиндукции контуров». Это дало возможность разработать методику создания эталонных помех в линиях связи бортового оборудования самолетов, ввести ее в соответствующий ГОСТ и успешно использовать в практике обеспечения помехозащищенности бортовых электрических линий связи. А раньше это никак не получалось...

И это только самое начало.

Полезно напомнить, что в науке об электричестве были направления, существенно отличающиеся от тех, к которым мы привыкли сегодня. Соответствующими исследования в этих других направлениях занимались Ампер и Эрстед, даже Фарадей, труды которого не полностью осознаны и сегодня. Но особо следует отметить великого сербского ученого Николу Тесла, электротехника которого качественно отличалась от сегодня существующей. На своих установках с помощью своего непонятно как работающего трансформатора, подключенного через разрядник к конденсатору, он получал напряжения в миллионы вольт с прибавлением неизвестно откуда взявшейся добавочной энергии…

Сегодня известны многие десятки экспериментов, дающих результаты, которые не могут быть объяснены современной теорией электромагнетизма. Автор должен самокритично признаться, что некоторые из них эфиродинамика пока тоже не может объяснить. Но подобных случаев у автора было много, и все они постепенно нашли свое решение.

Теория электромагнетизма ждет своих Фарадеев и современных Максвеллов. Нельзя бесконечно эксплуатировать авторитет великих, но давно ушедших ученых. Надо работать и самим.