А существует ли магнитное поле? Альтернативные версии объяснения магнитного поля

Часть I. Стационарное поле

На поставленный в заголовке вопрос любой ответит утвердительно. Иначе чем кусок железа притягивается к магниту, чем стрелка компаса поворачивается на север? Магнитное поле (МП) всесторонне изучено экспериментально, строго описано теоретически, а критерием истинности представлений о нем служит практика. МП вращает роторы электродвигателей, генерирует ток на электростанциях, служит рабочей средой в электромагнитах, трансформаторах, ускорителях заряженных частиц и многих других устройствах современной техники. Этим полем закаляют сталь, устраняют усадочные раковины при выплавке металлов, уничтожают накипь в паровых котлах и трубах теплоснабжения, а также парафиновые отложения в нефтепроводах. Магнитная обработка картофеля, семян растений, автомобильного топлива, простой воды и т.д. приводит к фантастическим результатам, не объяснимым современной наукой.

«Магнетические» явления, как и в средние века, окружены туманом таинственности и соседствуют с магическими. Этим пользуются лжеученые, мошенники и шарлатаны. Если средневековые знахари лечили магнитом порчу и сглаз, то ряд ведущих институтов страны продают магнитотерапевтические аппараты, якобы излечивающие сотни болезней самой разной природы. Астрологи «научно» подкрепляют истинность своих предсказаний воздействием космического МП планет. Не обходятся без МП и многочисленные изобретатели вечных двигателей, обещающие неограниченные потоки бесплатной и экологически чистой энергии.

Вращением магнита создают мифическое торсионное поле, которым обрабатывают настои трав, получая чудодейственные лекарства от различных болезней. Изобретены магниты, защищающие доверчивых людей от шаровых молний. Магнетизмом объясняют прилипание тарелок к человеческому телу и многие другие непонятные явления. МП мы ощущаем руками, поднося кусок железа к магниту, а его структуру можем увидеть глазами, воспользовавшись железными опилками.

Поскольку МП дано нам в ощущениях, измеряется приборами и используется на практике, оно признано особым видом материи. Ему приписали массу и энергию. Однако далеко не все то, что дано нам в ощущениях, является объективной реальностью, то есть материей. Человек обладает богатым воображением и часто чувствует то, чего нет на самом деле. Вспомним «чистую» и «нечистую» силы, леших, барабашек, снежного человека, лох-несское чудовище, НЛО.

Ведь все это кто-то видел, слышал, трогал руками, зафиксировал на фотографиях и в протоколах, а на тарелках инопланетян некоторые даже летали. Ученые тоже часто наблюдают несуществующее — квантование напряжения и температуры, холодный ядерный синтез, многие элементарные частицы, торсионное поле и т.д. Вспомним также историю с флогистоном, учение о котором было господствующим в термодинамике времен Ломоносова. Перетекание этой «огненной материи» от горячей печки хорошо ощущается поднесенной к ней рукой. Теория флогистона давала точное описание тепловых явлений и подтверждалась практикой. Несмотря на это, с развитием науки от флогистона пришлось отказаться.

При этом понимание тепловых процессов стало более строгим, глубоким и простым. А не таким ли «флогистоном» является и МП, понятие о котором досталось нам из истории? В самом деле, что это за материя, которая исчезает при переходе от неподвижной системы отсчета к движущейся вместе с зарядом? Что за поле, если оно не имеет своих материальных носителей — магнитных зарядов, монополей (даже у элементарных частиц магнетизм обусловлен круговыми токами)?

Может ли материальное МП заставить двигаться носители заряда во вторичной обмотке трансформатора, если на них непосредственно не действует, оставаясь локализованным в железном сердечнике? Возможно ли с материалистических позиций объяснить этим полем отклонение заряженной частицы, пролетающей мимо магнита, вне его МП (эффект Ааронова-Бома)? Таких вопросов, как будет показано ниже, можно задавать множество.

Классическая электродинамика Ампера-Фарадея-Максвелла не дает на них ответа. Основываясь на существовании МП, электродинамика часто противоречит логике и фундаментальным законам природы. В настоящей работе будет показано, что МП не существует в природе, оно является нашим вымыслом. Все явления и эффекты, приписываемые магнетизму, имеют чисто электрическую природу и без МП описываются более строго, просто и ясно. По существующим представлениям МП проявляется и фиксируется в двух группах явлений:

стационарное — в силовых эффектах взаимодействия движущихся зарядов, переменное — в появлении ЭДС в замкнутом контуре. Эти эффекты будут рассмотрены, соответственно, в первой и второй частях работы. Взаимодействие точечных зарядов Термин стационарный, то есть постоянный во времени, создает иллюзию чего-то неизменного и неподвижного.

Однако стационарное МП — это принципиально динамическое явление. Оно создается только движущимися зарядами и обнаруживается только ими. Считается, что стационарное МП имеется у пролетающих мимо нас электрических зарядов, вокруг пучков заряженных частиц и проводов с током, внутри соленоидов, у полюсов постоянных магнитов. Во всех этих случаях его источником являются движущиеся заряды (в постоянных магнитах из ферромагнетиков имеются молекулярные кольцевые токи, а в магнитах из сверхпроводников — кольцевые макротоки). Даже у элементарных частиц — электронов, протонов, нейтронов МП обусловлено круговым движением заряженной материи.

Доказательством реальности стационарного МП служат силы, действующие с его стороны на движущиеся электрические заряды. Его регистрируют и измеряют по отклонению пролетающих заряженных частиц, по притяжению или отталкиванию проводов с током, магнитов, соленоидов, по повороту магнитной стрелки, намагничиванию вещества и поляризации элементарных частиц.

Все эти случаи сводятся к силе взаимодействия двух движущихся зарядов, которую и рассмотрим в первую очередь. Неподвижный точечный заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, напряженность Е которого одинакова во всех направлениях и убывает с расстоянием r как 1/r². Вектор Е направлен по радиусу, а эквипотенциальные поверхности имеют вид сфер с общим центром на заряде (рис. 1, а). Взаимодействие двух неподвижных зарядов q₁, q₂ описывается законом Кулона: где a — расстояние между зарядами, ? —

абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. При этом силы F₁₂, действующая со стороны первого заряда на второй, и F₂₁ — со стороны второго на первый, равны и противоположны, то есть в соответствии с третьим законом Ньютона действие равно противодействию. Поле движущегося заряда отлично от поля неподвижного (рис. 1, б). Эквипотенциальные поверхности уже не являются концентрическими сферами, а их центры смещаются вместе с движущимся зарядом. Это связано с тем, что поле распространяется с конечной скоростью, равной скорости света, а каждая следующая его порция испускается из новой точки пространства, куда смещается заряд. Ввиду отличия полей движущегося и неподвижного зарядов сила взаимодействия движущихся зарядов не равна кулоновской F_k(1), а отличается от нее: F = F_k+ F_м (сумма здесь векторная). Добавочная сила Fм, возникающая за счет движения, в классической электродинамике называется магнитной силой и связывается с наличием у движущихся зарядов МП. Она определяется законом Ампера: Прямые скобки здесь означают векторное произведение, В₁ — магнитная индукция, создаваемая первым зарядом в месте нахождения второго, В₂ — вторым на месте первого, v₁ и v₂ — скорости зарядов. Если заряды движутся параллельно друг другу, то магнитная сила, как и кулоновская, является центральной и одинаковой на оба заряда, то есть действие равно противодействию.

Однако в случае непараллельного движения силы F_12М и F_21М не равны друг другу и направлены не по одной линии. А если заряды движутся перпендикулярно друг другу, то магнитная сила действует лишь на один из них, без противодействия на второй (рис. 2) Этот результат противоречит одному из фундаментальных законов природы, гласящему, что действие равно противодействию.

Выражения для магнитных сил (2, 3) противоречат и другому фундаментальному закону природы — принципу относительности Галилея, так как силы зависят от абсолютных скоростей, а должны определяться относительными. Ампер понимал эти противоречия и давал более сложные выражения для сил, которые в дальнейшем забылись. Разрешая противоречия классической электродинамики, Эйнштейн разработал теорию относительности, введя сокращение размеров, замедление времени и прочее для движущихся тел. Введение магнитных сил в классической электродинамике оказалось необходимым ввиду того, что в ней не учитывается отличие электрического поля движущегося заряда от поля неподвижного, а сила взаимодействия движущихся зарядов рассчитывается по статической формуле Кулона (1).

Соответственно электрическое поле движущихся зарядов определяют по статическому уравнению Максвелла divD = ? (D = ?E — электрическая индукция, ? — объемная плотность заряда). Если бы Эрстед, Ампер, Фарадей, Максвелл и их последователи учли разницу электрических полей, изображенных на рис. 1, а и 1, б, то необходимость введения МП и магнитных сил отпала бы.

Продемонстрируем это на примере взаимодействия токов. Поле тока Проводник, по которому течет постоянный электрический ток, является электрически незаряженным, так как число положительных зарядов в нем равно числу отрицательных и сколько зарядов входит с одной стороны, столько и выходит с другой. Однако, несмотря на компенсацию зарядов, ток создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это связано с тем, что поле движущихся зарядов (в металлах электроны) отлично от поля неподвижных (положительных ионов).

Напряженность поля проводника с током Е = Е_Д– Е_С, где Е_Д — напряженность, создаваемая движущимися зарядами, а Е_С — статическими той же плотности. Электрическое поле цепочки неподвижных зарядов (заряженной нити) из электростатики равно Ес= ? /(2 ?? r), где ? — линейная плотность заряда. Вектор Е_С перпендикулярен оси нити и направлен по радиусу r. Если же цепочка зарядов движется со скоростью v, то их поле, как говорят, сносится назад эфирным ветром — оно отстает за счет конечной скорости распространения c (рис. 3). Поэтому его напряженность Приближение справедливо при скоростях v много меньших скорости света с. ^{* )} Суммарное электрическое поле проводника с током где I = v ? — ток,

µ — абсолютная магнитная проницаемость среды. Здесь учтено, что с² = 1/( ?µ ). Хотя это поле и обнаружено экспериментально (оно особенно сильно вблизи сверхпроводниковых соленоидов, где протекают большие токи), оно не признается классической электродинамикой. Для описания же создаваемых им эффектов вводят МП с индукцией

Однако МП объясняет лишь часть эффектов (например, взаимодействие двух токов) и не может объяснить, например, воздействие постоянного тока на неподвижный заряд, предсказываемое (5). Взаимодействие токов В 1820 г. Ампер открыл, что два параллельных провода с токами I₁ и I₂ притягиваются, если токи текут в одном направлении, и отталкиваются, если токи встречные, с силой где а — расстояние между проводами, l — их длина. Он объяснил этот факт взаимодействием магнитных полей токов (6). При этом Ампер не знал о существовании у проводов с током электрических полей (5) и не учитывал силу их взаимодействия.

Посмотрим, а не получится ли та же экспериментально измеряемая сила (7) при учете только электрического взаимодействия проводов, без магнитного. Для определенности свободными носителями заряда будем считать положительные частицы. Сила взаимодействия двух проводов с токами I₁, I₂ складывается из четырех составляющих: отталкивания положительных зарядов первого и положительных второго провода F_+1-2, притяжения отрицательных первого и положительных второго F_-1+2, притяжения положительных первого и отрицательных второго F_+1-2, а также отталкивания отрицательных первого и отрицательных второго F_-1-2 (рис. 4) — Последняя составляющая силы между неподвижными отрицательными зарядами определяется из электростатики: где ?₁,

?₂ — линейные плотности зарядов в проводах. Расчет остальных сил следует вести с учетом движения цепочек зарядов относительно друг друга согласно (4). При этом в соответствии с принципом относительности в качестве скорости v нужно брать относительною скорость, то есть для F_+1-2 v₁, для F_-1+2 v₂, а для F₊₁₊₂ (v₁-v₂). В результате после сокращения статических составляющих сил получим Подставив сюда значение F_c по (9), заменив с 2 на 1/( ?µ ), v₁?₁ на I₁ и v₂?₂ на I₂, получим выражение Ампера (7). Знак минус означает притяжение. Если один изтоков будет обратного направления, то есть отрицательным, то будет сила отталкивания со знаком плюс. Следовательно, для описания взаимодействия проводов с током не нужно вводить промежуточную среду — МП. Не потеряв, как это сделал Ампер и его последователи, электрическое поле тока, понять и рассчитать это взаимодействие становится проще, строже и нагляднее. При этом отпадают проблемы противоречий с принципом относительности и третьим законом Ньютона.

Намагничивание Наряду с описанными силовыми эффектами стационарное МП проявляет себя в намагничивании вещества. Намагничивание — это приобретение телом магнитного момента p_М= q_М^l, где q_М — положительный и отрицательный магнитные заряды, а l — расстояние между ними (рис. 5, а). Магнитный момент единицы объема вещества M = р_М/V, где V — объем тела, называется намагниченностью. Считается, что она пропорциональна напряженности МП Н: а коэффициент пропорциональности  называют магнитной восприимчивостью вещества. Чем больше  , тем лучше намагничивается данное вещество.

На самом деле никаких магнитных зарядов q_М типа изображенных на рис. 5, а у намагниченных тел не существует. Реальны же только круговые токи, представляющие собой векторную сумму круговых молекулярных токов и называемые токами Ампера I_А (рис. 5, б). Замена реальной физической картины намагниченного тела (рис. 5, б) на мифический магнитный диполь (рис. 5, а) возможна потому, что на достаточно большом расстоянии от тела МП В этих структур практически одинаково, а именно оно и наблюдается в эксперименте. Различие ближнего МП структур проявляется лишь в специально поставленных экспериментах, в которых, в частности, оказано, что элементарные частицы обладают круговыми токами по рис. 5, б, а не магнитными зарядами по рис. 5, а. Если площадь основания тела S, а высота l , то в соответствии с рис. 5, а его магнитный момент р_М= МSl, а по рис. 5, б p_М= SI_A. Приравнивая эти значения, получим, что I_A = Мl. Если теперь от тока I_A перейти к его плотности на единицу длины тела J_A= I_A/l, то окажется, что

Следовательно, намагниченность М есть не что иное, как линейная плотность кругового тока Ампера. Известно, что ток не может создаваться стационарным МП, как это утверждает соотношение (11) классической электродинамики. ток возбуждается только электрическим полем. Причем, для возбуждения кругового тока электрическое поле должно иметь круговую ЭДС E, то есть быть вихревым. Тогда только при неравной нулю круговой проводимости G o будет ток  I_A= G_oE. В дифференциальной форме это уравнение выглядит так: где

?_o= G_ol/S — удельная круговая электрическая проводимость вещества, имеющая размерность 1/(Ом•м) или См/м. Из полученного уравнения (13) следует, что для «намагничивания» вещества нужно не МП, а неоднородное, вихревое электрическое поле, ротор которого (то есть dE_y/dx – dE_x/dy) не равен нулю. Такое поле и создают намагничивающие устройства — соленоиды, магниты. Круговая проводимость ?_o характеризует способность вещества «намагничиваться» (по существующей терминологии), а точнее — проводить круговой электрический ток. В диамагнетиках ?o мала и отрицательна. В парамагнетиках, где имеются круговые токи неспаренных электронов, ориентируемые вихревым электрическим полем, ?_o положительна.

В ферромагнетиках ниже точки Кюри происходит спонтанная ориентация орбит круговых токов неспаренных электронов и ток Ампера возникает сам собой, без внешних воздействий. При этом ?_o оказывается равной бесконечности. Это означает, что ферромагнетики являются сверхпроводниками, но не обычными с бесконечной линейной проводимостью, а круговыми с бесконечно текущим круговым током. Критическая температура ферромагнитных сверхпроводников равна их точке Кюри. Поэтому ферромагнитные вещества являются самыми высокотемпературными сверхпроводниками. Классические (то есть линейные) сверхпроводники также могут «намагничиваться» вихревым электрическим полем и оставаться постоянными магнитами сколь угодно долго.

Однако протекающий в них круговой ток непрерывный, а не складывающийся из множества молекулярных круговых токов, как в ферромагнетиках. ВЫВОДЫ Таким образом, силы магнитного взаимодействия имеют чисто электрическую природу. Они связаны с отличием электрического поля движущихся зарядов от поля неподвижных. Для их понимания и расчета нет нужды во введении магнитного поля. «Намагничивание» вещества также связано не с магнитным полем, а с возбуждением круговых токов вихревым электрическим полем. Поэтому ферромагнетики являются высокотемпературными сверхпроводниками по круговым токам.

Автор: Петров В.М., канд. физ.- мат. наук, доцент