Реферат: О псевдоволнах электромагнитного поля
О ПСЕВДОВОЛНАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОПОЛЯ
В.В. СидоренковМГТУим. Н.Э. Баумана
Общепринятая логика обсуждения вопроса о переносе энергииэлектромагнитного поля посредством волн такова, что проблемы здесь как бы инет: всем все понятно, однако в действительности проблема выяснения физическогомеханизма переноса энергии синфазными компонентами электромагнитной волныреально существует, и для разрешения парадокса требуется эвристический,кардинальный подход.
Концепция электромагнитного(ЭМ) поля является основополагающей в классическойэлектродинамике[1],где считается, что все явления электромагнетизма физически полно представлены этим полем, свойства которогоисчерпывающе описываются системой электродинамических уравнений Максвелла:
(a) <img src="/cache/referats/28398/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (b) <img src="/cache/referats/28398/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (1)
(c) <img src="/cache/referats/28398/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (d) <img src="/cache/referats/28398/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">
где <img src="/cache/referats/28398/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> — постоянная временирелаксации заряда в среде за счет ее электропроводности. Важнейшим следствиемуравнений (1) является тот факт, что компоненты ЭМ поля, электрическая <img src="/cache/referats/28398/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> и магнитная <img src="/cache/referats/28398/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> напряженности, перемещаютсяв свободном пространстве в виде поперечных волн.
С целью ответана вопрос, как распространяются эти волны и что они переносят, обратимся к закону сохранения энергии, аналитическуюформулировку которогоможно получить при совместном решении уравнений Максвелла (1) в виде так называемойтеоремы Пойнтинга:
<img src="/cache/referats/28398/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">. (2)
Поскольку далеерассматривается распространение ЭМ волн в среде идеального диэлектрика (<img src="/cache/referats/28398/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">
<img src="/cache/referats/28398/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">. (3)
Рассмотрим выполнениезакона сохранения энергии длямонохроматической ЭМ волны, полевые компоненты которой, согласно волновым решениямуравнений Максвелла [1], распространяются, например, вдоль оси x в пространстве без потерь синфазно: <img src="/cache/referats/28398/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> и <img src="/cache/referats/28398/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/28398/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">
<img src="/cache/referats/28398/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> (4)
В итоге <img src="/cache/referats/28398/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">, так как, по определению, это объемная плотность потока векторного поляв данной точке, а потому для бегущей волны в пространстве без потерь усредненныйпо времени поток ее энергии через замкнутую поверхность очевидно равен нулю. Итак, уравнения Максвелла описывают необычные, весьма странныеволны, которые логично назвать псевдоволнами, поскольку, с однойстороны, синфазные волны не способны впринципе переносить ЭМ энергию, а с другой — перенос энергии реально наблюдается,более того это физическое явление широко и всесторонне используется практически,определяя многие аспекты жизни современного общества.
Итак, имеемпарадокс, существующий уже более века. Поражает здесь то, что общепринятая логикаанализа переноса энергии ЭМ волнами такова, что проблемы как бы и нет: всем всепонятно. Например, из соотношения для амплитуд в волновых решениях уравнений(1) <img src="/cache/referats/28398/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> формально следует, чтодля ЭМ энергии <img src="/cache/referats/28398/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1041"><img src="/cache/referats/28398/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1042">
Для большей убедительности нашей аргументации напомнимосновные представления о переносе энергии посредством волнового процесса,например, рассмотрим распространение волн от брошенного в воду камня. Частицыводы массой m, поднятые на гребне волнына высоту h, имеют запас потенциальнойэнергии <img src="/cache/referats/28398/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1043">закономсохранения энергии потенциальная энергия частиц воды переходит вкинетическую энергию их движения <img src="/cache/referats/28398/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/28398/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1045">синфазных волновых компонент ЭМполя, описываемых уравнениями Максвелла (1), это невозможно в принципе.
Однако последовательный критический анализ именно уравнений электродинамикиМаксвелла [3] выявил систему дифференциальных уравнений в виде соотношений первичнойфункциональной взаимосвязи ЭМ поля скомпонентами электрической <img src="/cache/referats/28398/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> и магнитной <img src="/cache/referats/28398/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> напряженности и поля ЭМ векторного потенциала с электрической<img src="/cache/referats/28398/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><img src="/cache/referats/28398/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> компонентами:
(a) <img src="/cache/referats/28398/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1050">, (b) <img src="/cache/referats/28398/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1051">, (5)
(c) <img src="/cache/referats/28398/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> (d) <img src="/cache/referats/28398/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1053">
Объективность существования указанного четырехкомпонентного вихревого поля, котороефизически логично назвать реальнымэлектромагнитным полем, иллюстрируется целым рядом нетривиальных следствий из соотношений (5), посколькуматематические операции над ними позволили получить три новые системы электродинамическихуравнений [3], структурно аналогичных системеуравнений (1), но уже для поля ЭМ векторногопотенциала с электрической <img src="/cache/referats/28398/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> и магнитной <img src="/cache/referats/28398/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> компонентами, электрического поля с компонентами <img src="/cache/referats/28398/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> и <img src="/cache/referats/28398/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1057">, наконец,для магнитного поля с компонентами <img src="/cache/referats/28398/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> и <img src="/cache/referats/28398/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1059">.
Подробный анализ условий распространения компонент реальногоЭМ поля в виде волн представленв работе [4], там это поле условно названо «единое электродинамическое поле».Установлено, что в среде без потерь компоненты волны вектор-потенциала совершают синфазные колебания, а у электрической и магнитной волн полевые компонентысдвинуты между собой по фазе на <img src="/cache/referats/28398/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1060">
В этой связи рассмотрим энергетические аспекты волнового распространениясоставляющих реальногоЭМ поля, апотому приведем следующие из анализа новых систем уравнений соотношения баланса[3]:
для потока электрической энергии
<img src="/cache/referats/28398/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1061">, (6)
для потока магнитной энергии
<img src="/cache/referats/28398/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> (7)
и, судя по размерности, для потока момента ЭМ импульса
<img src="/cache/referats/28398/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1063">. (8)
Используяпредставленные соотношения баланса, проведем сначала анализ энергетики перемещенияв пространстве волн электрического поля наоснове закона сохранения электрическойэнергии, соотношение баланса (6) которого запишется для среды идеальногодиэлектрика (<img src="/cache/referats/28398/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1064">
<img src="/cache/referats/28398/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1065">. (9)
Согласноволновым решениям уравнений электрическогополя [4], полевые компоненты монохроматической поперечной электрической волны имеют сдвиг фазы на <img src="/cache/referats/28398/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><img src="/cache/referats/28398/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1067"> и <img src="/cache/referats/28398/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1068">
<img src="/cache/referats/28398/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1069">. (10)
Как видим, такой результатвполне удовлетворяет закону сохранения энергии, поскольку усреднение по временисоотношения (10) дает
<img src="/cache/referats/28398/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1070"> (11)
а потому электрическая волна действительнопереносит в пространстве чисто электрическуюэнергию: <img src="/cache/referats/28398/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1071">
Соответственно,для магнитного поля,распространяющегося в однородной среде без потерь, согласно (7), закон сохранениямагнитной энергии запишется в виде соотношения:
<img src="/cache/referats/28398/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1072">. (12)
Здесь полевые компоненты магнитной волны также имеют сдвиг фазы колебанийна <img src="/cache/referats/28398/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1073"><img src="/cache/referats/28398/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> и <img src="/cache/referats/28398/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1075">
<img src="/cache/referats/28398/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><img src="/cache/referats/28398/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1077"> (13)
Итак, в случае магнитного поля снова приходим кфизически здравому результату, удовлетворяющему закону сохранения энергии,когда магнитной волной в средепереносится чисто магнитная энергия: <img src="/cache/referats/28398/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1078">
Справедливостиради уместно сказать, что впервые о реальности магнитной поперечной волныс двумя ее компонентами <img src="/cache/referats/28398/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1079"> и <img src="/cache/referats/28398/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1080">, сдвинутыми при распространении по фазе на <img src="/cache/referats/28398/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1081">, почти 30 лет назад официально в виде приоритета наоткрытие заявил Докторович [5], и этот факт он безуспешно пытается донести додругих все эти долгие годы. Печально, но только Время – высший судья, и именнооно расставит всех по своим местам!
Такимобразом, реализация собственно волн ЭМполя и ЭМ векторного потенциала, удовлетворяющих обычному физическомумеханизму волнового процесса, принципиально невозможна, хотя сами эти поля, какпоказано выше, существуют и распространяются опосредованно в виде псевдоволн, поскольку их синфазные компонентыявляются составной частью компонент электрической и магнитной волн, распространяющихся обычным образом.Тем самым все составляющие реальногоэлектромагнитного поля объективноперемещаются в пространстве совместно посредством единого волнового процесса.
К сожалению, в настоящее времясуществующими методами регистрации электродинамических полей реально наблюдаюттолько псевдоволны “обычного” ЭМполя. И хотя конкретное наблюдение волн остальных обсуждаемых здесь полей –дело будущего, объективность их существования и неоспоримая практическаязначимость достоверно подтверждается принципиальной невозможностью без ихпосредства реализации ряда физических характеристик и свойств ЭМ поля, вчастности, его способности переноса ЭМ энергии.
Литература
1. МатвеевА.Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1980.
2. ПироговА.А. // Электросвязь. 1993. №5. С. 13-14.
3. СидоренковВ.В.//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37; //Материалы IX Международной конференции «Физика в системе современногообразования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2007. Секция “Профессиональное физическоеобразование”. С. 127-129; // Вестник Воронежского государственного техническогоуниверситета. 2007. Т. 3. № 11. С. 75-82.
4. СидоренковВ.В. // <span Arial",«sans-serif»">www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8935.html/
<span Arial",«sans-serif»"> . 5. Докторович З.И. //Заявленное открытие «Магнитные поперечные волны» №32ОТ-10247, дата поступления 5 мая 1980 г.; // <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">http<span Arial",«sans-serif»">://www.scitec<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">library<span Arial",«sans-serif»">.<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">ru<span Arial",«sans-serif»">/- <span Arial",«sans-serif»; color:windowtext;mso-ansi-language:RU"> <span Arial",«sans-serif»; color:windowtext">rus<span Arial",«sans-serif»;color:windowtext;mso-ansi-language:RU">/<span Arial",«sans-serif»; color:windowtext">catalog<span Arial",«sans-serif»;color:windowtext;mso-ansi-language: RU">/<span Arial",«sans-serif»; color:windowtext">pages<span Arial",«sans-serif»;color:windowtext;mso-ansi-language:RU">/4797.<span Arial",«sans-serif»; color:windowtext">html.