Особенности структуры ЭМ волн Теслы

Аннотация

Данная работа посвящена той части электродинамики, которой не хватает в уравнениях Максвелла, но которая, тем не менее, существует как объективная реальность, и дана нам в ощущениях и на опыте.

Речь идет об электромагнитодинамике невихревых полей, которая описывает невихревые электрические и магнитные поля и законы невихревой электромагнитной и магнитно-электрической индукции, продольные электромагнитные волны, кинематику и энергетику их распространения, а также их пространственно-временную структуру.

Согласно классификации ЭМ волн, сложившейся в четырехпольной электромагнитодинамике, зарядовые ЭМ волны Теслы как раз и являются невихревыми ЭМ волнами в рафинированном виде. Но генерируются они переменными неподвижными макрозарядами, а не переменными токами (источниками токовых ЭМ Герца).

С явлениями именно такой электродинамики имел дело гениальный изобретатель и экспериментатор Никола Тесла на созданной им же установке на Лонг-Айленде и некоторые другие исследователи. Поэтому мы и назвали зарядовые ЭМ волны его именем. С его разработками сегодня связывается множество легенд и мифов, но мало кто задумывался о теоретических основах этих явлений, поскольку сегодня в физике доминирует двупольная электродинамика Максвелла. О продольных же ЭМ волнах идет нескончаемая полемика, а понятие скалярного магнитного поля в физике пока не принято.

В данной работе, исходя из закона Кулона, методично и последовательно применяя законы индукции невихревых ЭМ полей, сформулированные в четырехпольной электромагнитодинамике, мы при переменном, но неподвижном сферическом макрозаряде получаем в конечном итоге всю «анатомию структуры» сферических невихревых продольно-скалярных ЭМ волн Теслы. Эти волны генерируются уединенной емкостью сферической формы, подключенной к свободному концу вторичной обмотки трансформатора Тесла и заряжаемой/разряжаемой им. В конечном итоге в работе формулируются полевые решения для сферической модели зарядовых ЭМ волн Теслы, позволяющие легко моделировать и исследовать кинематику и энергетику их распространения.

Предисловие

В настоящее время общепринято считать, что электродинамика Дж. Максвелла является наиболее хорошо и полно разработанной областью физики и что в своих знаменитых уравнениях, ставших квинтэссенцией теории электромагнетизма, Дж. Максвелл обобщил и свел воедино все экспериментально установленные его предшественниками и современниками законы и закономерности электрических и магнитных явлений. Среди предшественников Дж. Максвелла наиболее известными являются Кулон, Эрстед, Ампер, Фарадей, Био, Савар, Лаплас и др. Менее широко известен тот факт, что современную форму уравнениям Максвелла придал Хевисайд.

Свои обобщения уже обнаруженных закономерностей электромагнетизма Максвелл творчески обогатил собственной концепцией о токах смещения и сформулировал все это на языке векторного анализа. В результате ему удалось свести всю теорию электромагнетизма всего лишь к 4 уравнениям в частных производных, называемых теперь уравнениями Максвелла.

Однако, хотя электродинамика Максвелла и приняла компактный и изящный вид, но сами ее уравнения при этом оказались весьма сложными для решения практических задач. По причине феноменологического подхода при конструировании уравнений электромагнетизма Дж. Максвеллу не удалось выявить классический механизм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление магнитных полей из электрических. Хотя существование самой среды распространения полей (эфира), безусловно, предполагалось самим автором [10], однако кроме газодинамических аналогий ее структуры никаких иных представлений в ту пору не имелось. Сегодня принято считать, что Дж. Максвелл вынужден был ограничиться описанием закономерностей электрических и магнитных полей на «макроскопическом» уровне рассмотрения, поскольку в ту эпоху еще не было четких научных представлений о строении и структуре вещества и электромагнитных полей.

Любопытно, но более поздние открытия в физике и последующие теории, однако, никак не повлияли ни на форму записи уравнений электромагнетизма, ни на их содержание, хотя многие явления современная наука интерпретирует уже совсем не так, как во времена Максвелла.

В то же время официально электродинамика представляется как теория законченная и полная, не нуждающаяся не то, что в ревизии, но даже в каких-либо уточнениях и доработках. И это все не смотря на то, что сам Максвелл хорошо сознавал, что система уравнений, сконструированная им, не является полной. Однако официальная наука упорно игнорирует предостережения самого Максвелла, что его теория не пригодна для описания полей незамкнутых токов и одиночных зарядов.

Тем не менее, как отмечают немногие современные исследователи, и в самом фундаменте теории электродинамики не все так безоблачно, как это представляется официальной наукой: известен уже целый ряд экспериментальных явлений, которые современная электродинамика Максвелла объяснить не в состоянии (например, феномен шаровой молнии, эффект Ааронова-Бома, эффект Биффельда-Брауна, опыты Авраменко).

Имеются в ней и теоретические проблемы, решения которых в рамках феноменологического подхода даже не предвидится (например, так называемая проблема «калибровки векторного потенциала» является результатом полного отсутствия в исходных уравнениях Максвелла как самого векторного потенциала, так и даже идей для его построения и, тем более, критериев для его «калибровки»). Более того, в последние годы появились публикации, авторы которых (Г.В. Николаев [1]…[4], Ст. Маринов [5]) утверждают и достаточно аргументировано показывают, что в классической теории электромагнетизма существуют даже целые пробелы, теоретические изъяны, в результате чего сама теория Максвелла оказывается неполной и внутренне противоречивой. Основным теоретическим изъяном, по мнению Г.В. Николаева, является отсутствие в теории Максвелла даже самой идеи об еще одном силовом поле, а именно, – о скалярном магнитном поле и соответствующей ему «продольной» силе. По мнению Г.В.

Николаева, они все-таки существуют и «работают» наряду с обычным векторным вихревым магнитным полем и «поперечной» силой Лоренца.

К сожалению, и сам теоретический фундамент классической электродинамики зиждется на понятиях, природа и суть которых до сих пор остается непознанной. Примером одного из таких понятий является электрический заряд, примером другого такого понятия – вакуумные «токи смещения», введенные в теорию Дж. Максвеллом для совместимости с уравнением непрерывности для заряда и тока проводимости. Да и о самом феномене электрического тока вообще, и о токе проводимости в частности в электродинамике до сих пор отсутствует четкое, ясное и при этом адекватное представление. То же самое можно сказать и о феномене электрических и магнитных полей. Даже в принятой терминологии в электродинамике исторически сложилась и до сих пор сохраняется терминологическая нестыковка: так в магнитостатике напряженность магнитного поля не зависит от электромагнитных свойств среды, а в электростатике напряженность электрического поля зависит от них. В магнитостатике индукция магнитного поля зависит от электромагнитных свойств среды, а в электростатике индукция электрического поля не зависит от них. Уже это терминологическое противоречие затуманивает четкость понимания происходящих процессов.

Складывается парадоксальная ситуация: многие (хотя далеко и не все!) явления электричества и магнетизма уравнения Максвелла описывают вроде бы достаточно верно и точно, но при этом сама их физическая сущность и внутренние механизмы остаются не вскрытыми и ускользают из поля зрения исследователя, оставаясь загадкой.

Ничего удивительного в этой ситуации все же нет: теория, изначально создававшаяся феноменологическим путем, как правило, обладает лишь описательной силой. Она способна верно описывать лишь те явления, для описания которых она и создавалась, становясь, таким образом, хотя и довольно точным, но слепым математическим инструментом, абстрагированным от физической сущности описываемых явлений.

Объяснительную и предсказательную силу фундаментальная теория может обрести лишь на основе глубинного понимания физической природы и механизмов описываемых ею явлений и адекватного их отображения в самой математической модели теории.

Как уже отмечалось выше, гениальный Дж. К. Максвелл сформулировал свои уравнения в терминах теории поля на языке векторного анализа, что значительно сократило формальную запись закономерностей электромагнетизма, но при этом, увы, значительно усложнило практическую применимость теории. Сама по себе задача решения системы дифференциальных уравнений в пространственных производных представляет собой сложнейшую математическую проблему, и в большинстве случаев решение полевых задач осуществляется численными методами на мощных компьютерах с применением сложных алгоритмов и методов конечных элементов.

Для решения же практических инженерных задач гораздо шире используется теоретическая электротехника, построенная на законе Ома, включающая теорию электрических и магнитных цепей и другие инженерные методы. И, поскольку теоретическая электротехника является прикладным детищем электродинамики Максвелла, постольку она «генетически» наследует все ее изъяны и «болезни».

Отпочковавшись от электродинамики, теоретическая электротехника уже давно превратилась в самостоятельную прикладную науку, учредив для этого свою собственную точку зрения на законы электромагнитной индукции и обосновав свои собственные интегративные подходы и методы решения прикладных задач.

Принципиальное различие между электродинамическим и электротехническим подходами при решении полевых задач и оценивании полей заключается в том, что в электродинамике принят «дифференциальный подход» и все определения полей имеют полевую форму. Напротив, в электротехнике принят «интегративный» подход, и все оценки полей имеют неполевую интегральную форму.

Наиболее ярко это различие в подходах и трактовках можно продемонстрировать на примере закона Фарадея.

формате PDF (623Кб)

формате flv (2257Кб)

формате flv (2247Кб)