1 о противоречиях в существующей модели электромагнитного
advertisement
лярны и имеют единую фронтовую плоскость, которую для светового диапазона связывают с нулевыми значениями этих векторов [3]. При О ПРОТИВОРЕЧИЯХ В СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПУТЯХ ИХ УСТРАНЕНИЯ этом вектора E и B вращаются в ортогональных плоскостях и обладают свойством инвариантности к системам координат. Это может быть С.Н. Гузевич только в том случае, если вектора E и B являются плоскостными. (Плоскостные свойства электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в световом диапазоне были открыты еще Юнгом). ОАО «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт», г. Санкт-Петербург. С фронтом связаны понятия направлений векторов E и B электро- Телефон: 8(906)2593025 E-mail: guzevich@yandex.ru, egorshustov@yandex.ru Введение К электромагнитным процессам относятся поля не только радиочастотного, но и светового и инфразвукового диапазона. Модель электромагнитного поля независимо от его частот и форм проявления в различных средах должна быть одинаковой. К сожалению этого не наблюдается. Так модели электромагнитных волн изменяются в зависимости от их частотного диапазона [1,2]. Известно, что модель вектора электромагнитного поля состоит из трех взаимно ортогональных векторов: вектора электрического поля, вектора магнитного поля и вектора Умова-Пойтинга, задающего его направление движения. Вектора электрического и магнитного полей по Фарадею подобны [1,2]. Они вращаются в ортогональных плоскостях, а вектор Умова-Пойтинга – нет. При этом установлено, что вектора электрического и магнитного полей инвариантны к системе координат, а вектор Умова-Пойтинга зависит от направления системы координат. Это свидетельствует о противоречиях в логике описания модели вектора электромагнитного поля, что связано с нарушением причинноследственных связей наблюдаемых «фактов». При общей правильности использованных математических зависимостей «подгонка» модели под аналитические зависимости привела к противоречиям между полученной моделью и теми же наблюдаемыми фактами. Отметим некоторые из них. Фронт поля обычно связывают с его границей, а у трех векторов он должен быть связан с вектором, задающим направление его движения, то есть с вектором Умова-Пойтинга. В существующей электромагнитной модели вектора электрического E и магнитного B полей перпендику1 магнитного поля и их фазы. Вектора E и B вращаются в разных ортогональных плоскостях, имеют совершенно разные свойства к изменениям условий окружающей среды (например, магнитная составляющая проникает через параллельную ей поверхность морской воды, а ортогональная ей электрическая составляющая – нет), что естественно поразному влияет на них, нарушая их синфазность, но не синхронность. Однако в существующей модели инвариантность фазы следует из формул преобразования векторов поля. Кроме того, «фазы» у магнитной и электрической составляющей полей различны по своему проявлению: фаза магнитной составляющей связана с изменением положения экстремальных значений в периоде сигнала, а фаза у электрической составляющей связана с изменением положения одного электрического вектора относительно другого электрического вектора [1,3,4]. Процессы, протекающие в векторах E и B , связаны только синхронностью. Для описания электромагнитного поля необходимо использовать функции от двух независимых аргументов, связанных свойством синхронности. Однако в волновом уравнении синусно-косинусные зависимости функционально связаны, то есть волновое уравнение является функцией двух переменных, но от одного аргумента, то есть не учтена необходимость использования двух независимых аргументов. Кроме того, плоскостные вектора не могут иметь пространственного описания. Однако в уравнениях Максвелла, которые успешно используются на практике, имеются пространственные функции, например rotЕ и divВ, что должно иметь объяснение. При этом вектора E и B являются в электротехнике аналогами векторов U и I , для которых не обеспечиваются условия одновременного равенства их нулю во фронтальной зоне, что также должно иметь объяснение. 2 При этом существующая модель не объясняет линейной направленности и высокой проникающей способности электромагнитного поля в пространстве, которой не обладают его составляющие магнитное и электрическое поле. Таким образом, существующая модель вектора электромагнитного поля имеет противоречия и не дает объяснения с практическими фактами его использования. Попытаемся построить такую модель вектора электромагнитного поля, в котором отсутствуют указанные недостатки. Результаты сравнения особенностей взаимодействия электрических и магнитных источников в статике представлены в таблице 1. 1.Электрические и магнитные поля в непроводящей среде Общеизвестные свойства электрического и магнитного полей в статике (непроводящей среде) и в электрических цепях свидетельствуют не о подобии векторов E и B , как отмечал Фарадей, а об их взаимной парности или дуальности, то есть дополнении друг друга при взаимодействии. Рассмотрим это на простейших примерах. Стационарное электрическое поле [1,2] образуется только отдельными зарядами - монополями, силовые линии которых всегда разомкнуты (рис.1). Силовые линии монополей начинаются на положительном заряде, а оканчиваются - на отрицательном. Практически источник электрического поля транслирует свою энергию по всем направлениям, радиально от центра заряда, то есть распространение энергии не имеет конкретного направления. Следовательно, в статике электрическое поле направлено по радиусам от центра заряда по всем направлениям или обладает свойством равномерной направленности. Равномерная направленность – направленность силовых линий источника поля от его центра, излучаемых по всем направлениям. Стационарное магнитное поле – дипольное [1,2]. Силовые линии магнитного диполя всегда замкнуты, начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном. Они связывают полюса в пространстве по кратчайшему направлению, которое отсчитывается от направления прямой линии (направления диполя), связывающей магнитные полюса. Источник магнитного поля транслирует свою энергию в секторе, ось которого связана с направлением диполя. Таким образом, в статике магнитное поле диполя (его магнитного момента) совпадает с направлением его оси, то есть магнитное поле обладает свойством направленности по одному направлению или векторной направленностью. 3 Таблица 1 Сравниваемые свойства Вид заряда Направление силовых линий Характер движения силовых линий Отсчет направления в пространстве Притяжение Направленность Электрическое поле Монополи От (+) к (- ) Магнитное поле Диполи От N к S Ортогонально линиям равных потенциалов Направления отсчета нет По кратчайшему пути Выполняется по всем направлениям к поверхности Равномерная Отсчет от направления оси диполя Выполняется двумя противоположными сторонами Векторная 1.Электрические и магнитные источники поля в электрических цепях Известно, что электрический сигнал, снимаемый с ротора генератора [2], является результатом взаимодействия вектора магнитного момента М (или вектора магнитной индукции B ) и вектора расстояния L , соединяющего виток провода с центром источника магнитного поля (рис.2а). 4 Сигнал разности потенциалов, снимаемый с вращающегося витка провода, находящегося под разными магнитными полюсами, имеет сину- водника по всем направлениям, то есть оно обладает свойством равномерной направленности. соидальную форму. При этом вектор магнитной индукции B и вектор L совпадают и представляют прямую, соединяющую центр развертки с его амплитудным (экстремальным) значением (рис.2б). Сигнал разности потенциалов, снимаемый с одного башмака статора при вращении магнита, имеет изменяющуюся форму (бегущую синусоиду), протяженность которой постоянна, а экстремальные значения смещаются вдоль протяженности, изменяясь по величине (рис.2в). В этом сигнале вектор магнитной индукции B представляет прямую, соединяющую центр развертки с его амплитудным (экстремальным) значением, а вектор L совпадает с направлением перпендикуляра к оси развертки. При этом изменяется фаза амплитуды сигнала, отсчитываемая от центра периода. Сигнал, полученный как сумма сигналов, снимаемых с двух противоположных башмаков, имеет вид синусоиды. Если источники поля, имеющие разные электрические потенциалы, связаны проводником (создано электрическое поле по направлению проводника), то энергия электрического поля распространяется по направлению проводника, и электрическое поле в электротехнике обладает свойством векторной направленности. Ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле, силовые линии которого направлены по радиусам к направлению проводника, то есть магнитное поле в проводящей среде направлено по радиусам от центра двигающегося заряда по всем направлениям или обладает свойством равномерной направленности. Источники переменного потенциала, связанные с одним общим потенциалом, образуют разности потенциалов между любыми источниками, переменные потенциалы которых могут быть сдвинуты по фазе, образуя как бы прямую линию, размеры которой динамически изменяются. Таким образом, электрическое поле в электрических цепях имеет величину, зависящую от разности связываемых потенциалов, а направление тока зависит от разности фаз, вызванных направлением «магнита» при их генерации в разных точках, то есть электрическое поле в электрических цепях обладает свойством векторной направленности. Магнитное поле в электрических цепях зависит от величины и направления протекающего по проводнику тока. Поле не имеет конкретного направления, направлено по радиусам от (к) центру про5 Результаты сравнения особенностей взаимодействия электрических и магнитных источников в электрических цепях представлены в таблице 2. Таким образом, направление электрических и магнитных полей в электрических цепях взаимосвязаны, но эта связь инвертируется при изменении условий: 6 - если создано искусственное направление для электрического поля, например с помощью проводника, то электрическое поле приобретает векторную направленность, вызываемую перемещением энергии по этому направлению, а магнитное поле, вызванное этим движением – равномерную направленность; - если направленное движение электрического поля прервано, например, в антенне передатчика, то электрическое поле инвертирует направление, и оно приобретает свойства равномерной направленности, вызывая перемещение энергии радиально от центра круга, а магнитное поле – векторную направленность. Таблица 2 Сравниваемые свой- Электрическое поле Магнитное поле ства Направление поля Характер движения силовых линий Притяжение Фазы сигналов Направленность Задано проводником, положение которого произвольно По кратчайшему пути Определяется направлением тока (проводника) Отличаются временем прихода сигнала от разных источников Векторная Радиально от оси проводника в плоскости, ортогональной направлению тока Ортогонально линиям равных потенциалов Ортогонально длине проводника Отличаются положением экстремального значения сигнала в периоде Равномерная Фазы электрических полей (одной частоты) определяются временем прихода сигналов от различных источников, направление которых зависит от различий в направлении магнитных полей (или поля) в генераторе. Фазы магнитных полей определяются временем прихода амплитуды в периоде сигнала и зависят от тока между источником и приемником поля. 2. Вектор электромагнитного поля и его модельное описание в пространственной системе координат Декарта никаких зависимостей, кроме наличия волнового перемещения по всем направлениям в плоскости, ортогональной антенне источника. Поэтому новая модель электромагнитного поля должна обеспечивать это условие. Для построения модели электромагнитного поля используем свойства электрического и магнитного полей в статике и в электрических цепях. В проводнике антенны источника вектор электромагнитного поля работает в условиях электрических цепей, но когда вектор излучен, условий для появления направленной проводимости электрического поля нет и вектор вынужден работать в условиях статики. Поэтому динамические свойства электромагнитного поля являются следствием совмещения векторов магнитного и электрического полей, которые дополняя друг друга, обеспечивают единство свойств векторной и равномерной направленности. Однако направленность связана с положением прямой линии, которую можно разместить только на плоскости. Поэтому и свойство равномерной направленности может проявляться также только на плоскости. Для реализации равномерной направленности в модели уравнение волнового движения должно зависеть от двух независимых аргументов. И это уравнение уже имеется и более 50 лет используется на практике - в телевидении. Эта модель [2] описывает движение электронов в электронно-лучевой трубке под влиянием развертки, например горизонтальной (рис.4). Во-первых, в этой модели имеется два независимых аргумента: линейная скорость движения электронов и угловая скорость развертки. Вовторых, угловая скорость вращения обеспечивает условие равномерной направленности в плоскости вращения, а линейная скорость - условие векторной направленности. Таким образом, вектор электромагнитного поля может состоять из двух ортогональных составляющих: магнитной и электрической. Магнитная составляющая поля задает движение вектора электромагнитного поля в пространстве, а составляющая электрического поля обеспечивает перемещение по направлениям, ортогональным направлению источника поля. Это свидетельствует о том, что динамические свойства электромагнитного поля являются следствием необходимости обеспечения условий «статики» для направленности векторов E и В существующей модели (рис.3) вектор электромагнитного поля создает в пространстве по заданному направлению цилиндрическую поверхность, внутри которой перемещается шар [1-3]. Однако для распространения по различным направлениям в пространстве такой модели и обеспечения волнового движения векторам необходимо обеспечить синхронизацию всех «шаров» по различным направлениям. Для этого нет 7 B . Поэтому необходимо из двух ортогональных составляющих построить модель, обладающую единством свойств векторной и равномерной направленности. Для этого предварительно рассмотрим электромагнитные процессы в электронно-лучевой трубке, которые являются прямым аналогом пространственного волнового процесса. 8 нейной скорости движения электронов V0, что полностью соответствует условию синхронизации векторов E и B . Однако для обеспечения этого условия необходимо, чтобы с увеличением расстояния от источника электромагнитного поля линейная ско- В электронно-лучевой трубке (рис.4) поток ускоряющихся электронов разворачивается горизонтальной разверткой, которая модельно является круговой. За время полета электронов до экрана круговая развертка ω совершает цикл, что обеспечивает фокусировку изображения. Принципиально скорость электронов может быть постоянной. Для обеспечения их фокусировки на экране необходимо, чтобы за время сканирования горизонтальной развертки, электроны проходили путь, равный расстоянию R до экрана (фронтальной плоскости волны) или длине волны λ. Постановка в пространстве ряда экранов, расположенных на одинаковом расстоянии, позволяет отобразить в пространстве фронтальные плоскости электромагнитного поля, которое имеет постоянную линейную скорость распространения. Таким образом, модельной основой волнового пространственного движения является синхронизация угловой скорости развертки ω и ли9 рость вектора E возрастала, то есть она должна быть значительно большей, чем скорость света (VЕ>>C). И действительно, это свойство наблюдается для электромагнитных волн в противоположных направлениях от антенн передатчиков, которое связывают с явлением «поперечных волн», факты наблюдения которых, являются основой теории относительности. Ток от генератора передатчика, протекающий по антенне, которая совмещена с осью Z (рис.5), вызывает появление направленного электрического поля, совпадающего с направлением антенны, и магнитного поля, которое направлено ортогонально оси антенны. Вокруг антенны возникает граничный переход для вектора E от условий проводимости к условиям непроводимости, что приводит к инверсии свойств направленности векторов E и B (этот процесс не показан на рис.5). На рис.5а показана предлагаемая модель вектора электромагнитного поля, которая является суммой двух независимых синхронных плоскостных процессов: движения вектора B по направлениям, ортогональным оси антенны, и движения вектора E по орбите вокруг оси антенны. При этом в наблюдаемой модели вектор E вращается в горизонтальной плоскости, а вектора B - в вертикальной (рис.5б). Наблюдаемый сигнал вектора электромагнитного поля отображается предлагаемой моделью аналогично с существующей, за исключением отсутствия вектора УмоваПойтинга и инверсии положения векторов E и B . Модель траектории пространственного движения электрической составляющей электромагнитного поля показана на рис.5в и представляет собой циклоиду, но ее аналитическое описание может служить только для оценки пространственной формы траектории. Подтверждением правильности предлагаемой модели направлений составляющих вектора электромагнитного поля является взаимодействие магнитного поля Земли и магнитной и электрической составляющих солнечных космических лучей. Магнитное поля Земли отклоняет параллельную магнитную составляющую и закручивает в экваториальной плоскости ортогональную электрическую, что невозможно при вер10 тикальном положении электрической составляющей в существующей модели. ся возможность описания одного процесса от двух разных, но связанных, аргументов. Выводы 1. Наблюдаемый сигнал вектора электромагнитного поля в точке измерений представленной и существующей моделью отображается аналогично. 2. Представленная модель вектора электромагнитного поля устанавливает, что электромагнитное поле обладает единством свойств векторной и равномерной направленности, то есть обладает свойством дуальности. Литература: 1.К.А. Круг и другие. Основы электротехники. –М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952. - 432 с. 2.Физический энциклопедический словарь./ Под редакцией Прохорова А.М. –М.: «Большая российская энциклопедия, 1995. - 928 с. 3.А.Н. Матвеев. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985, -351с. 4.С.Н Гузевич. «О стереоскопической модели измерений расстояний в радиотехнических системах» // Радиотехника. Информационноизмерительные и управляющие системы – 2007, №1, С.4-9. Главным достоинством представленной модели является свойство дуальности, связанное с взаимным дополнением двух независимых, но синхронных, векторов электрического и магнитного полей в обеспечении одновременной векторной и равномерной направленности электромагнитного поля. Описание физико-геометрической модели электромагнитного поля реализует только первый шаг выполнения его аналитического описания, которое возможно только в системе координат, обладающей аналогичными дуальными свойствами, в которой обеспечивает- 11 12
