Co to jest energia elektryczna?

Pomimo niekwestionowanych sukcesów współczesnej teorii elektromagnetyzmu, stworzenia jej na podstawie takich kierunków, jak elektrotechnika, radiotechnika, elektronika, nie ma powodu, by uważać tę teorię za kompletną.

Główną wadą istniejącej teorii elektromagnetyzmu jest brak koncepcji modeli, brak zrozumienia istoty procesów elektrycznych; stąd praktyczna niemożność dalszego rozwoju i doskonalenia teorii. A z ograniczeń teorii wynika również wiele zastosowanych trudności.

Nie ma podstaw, by sądzić, że teoria elektromagnetyzmu jest szczytem doskonałości. W rzeczywistości w teorii zgromadzono szereg pominięć i bezpośrednich paradoksów, dla których wymyślono bardzo niezadowalające wyjaśnienia lub takich wyjaśnień wcale nie ma.

Na przykład, jak wyjaśnić, że dwa wzajemnie nieruchome identyczne ładunki, które powinny być od siebie odpychane zgodnie z prawem Coulomba, są rzeczywiście przyciągane, jeśli poruszają się razem przez stosunkowo długo opuszczone źródło? Ale są przyciągane, ponieważ teraz są prądami i przyciągane są identyczne prądy, co zostało eksperymentalnie udowodnione.

Dlaczego energia pola elektromagnetycznego na jednostkę długości przewodnika z prądem wytwarzającym to pole magnetyczne ma tendencję do nieskończoności, jeśli przewód powrotny zostanie odsunięty? Nie energia całego przewodnika, ale dokładnie na jednostkę długości, powiedzmy, jeden metr?

Jak rozwiązać problem propagacji fal elektromagnetycznych emitowanych przez dipol Hertza (czyli dipol o parametrach skupionych) umieszczony w medium półprzewodnikowym? Pomimo trywialnego charakteru tego stwierdzenia problem promieniowania dipola Hertza w medium półprzewodnikowym nigdy nie został rozwiązany przez nikogo, a próby jego rozwiązania niezmiennie nie powiodły się. Rozwiązania napisane w podręcznikach i książkach referencyjnych są opracowywane z dwóch rozwiązań na podstawie „zdrowego rozsądku”, ale nie są uzyskiwane w ogóle jako ścisłe rozwiązanie. Ale po rozwiązaniu tego problemu można uzyskać wiele konkretnych rezultatów: promieniowanie dipola w idealnym ośrodku przy braku aktywnego przewodnictwa, tłumienie fali płaskiej w półprzewodniku w nieskończonych odległościach od dipola i wiele innych (osobno niektóre z tych problemów rozwiązano bez komunikacji ze sobą) )

Ograniczające problemy pojawiania się pola magnetycznego w pulsującym polu elektrycznym i potencjału elektrycznego indukowanego w pulsującym polu magnetycznym na jednym przewodniku i wielu innych nie zostały rozwiązane. Metodologia elektrodynamiki nie zawsze ma inną sekwencję. Na przykład statyczny postulat Maxwella (twierdzenie Gaussa) umieszczony w podręcznikach teoretycznych podstaw elektrodynamiki w sekcji statyki, po przedstawieniu go w formie różnicowej, jest już umieszczony w sekcji dynamiki, chociaż ta druga forma reprezentacji nie różni się istotą fizyczną od poprzedniej. W rezultacie opóźnienie wartości potencjału elektrycznego D jest ignorowane, gdy ładunki q poruszają się w przestrzeni pokrytej powierzchnią S.

A jaki jest „potencjał wektorowy”? Nie potencjał skalarny - czy jest to praca polegająca na przeniesieniu ładunku jednostkowego z nieskończoności do danego punktu w przestrzeni, a mianowicie wektora? Jakie to ma znaczenie fizyczne, poza tym, że musi spełniać pewne warunki matematyczne? Kto może udostępnić ten sekret?

Powyższe punkty, a także niektóre inne rozważania, nie pozwalają nam uznać rozwoju teorii elektromagnetyzmu, jak każda nauka, za całkowicie ukończoną. Jednak jego dalsza ewolucja jest możliwa tylko na podstawie szczegółowego badania jakościowego procesów zachodzących w zjawiskach elektromagnetycznych.Warto przypomnieć, że dziś i od wielu lat stosujemy teorię, którą John C. Maxwell wysunął w swoim słynnym Traktacie o elektryczności i magnetyzmie, opublikowanym w 1873 roku.

Mało kto wie, że w tej pracy Maxwell streścił swoje wcześniejsze prace z lat 1855–1862. W swojej pracy Maxwell nawiązuje do pracy eksperymentalnej M. Faradaya, opublikowanej w latach 1821–1856. (Faraday całkowicie opublikował swoje „Badania eksperymentalne nad elektrycznością i magnetyzmem” w 1859 r.), Do dzieła V. Thomsona z okresu 1848–1851, do dzieła H. Helmholtza „O zachowaniu władzy” w 1847 r., Do dzieła W. Rankina „Mechanika stosowana” z 1850 r. I wiele innych w tym samym okresie. Maxwell nigdy nie postulował niczego, jak niektórzy teoretycy lubią teraz fantazjować, wszystkie jego wnioski opierały się na czysto mechanicznych pomysłach na temat eteru jako idealnego niewidzialnego i nieściśliwego płynu, który Maxwell wielokrotnie pisze w swoich pismach. Czytelnik może zapoznać się z częścią prac Maxwella przedstawionych w języku rosyjskim w tłumaczeniu Z. A. Zeitlina (J. K. Maxwell. Wybrane prace z teorii pola elektromagnetycznego. M., GITTL, 1952, 687 s.).

W notatkach L. Boltzmanna do pracy Maxwella „O liniach siły Faradaya” (1898) odnotowano:

„Mógłbym powiedzieć, że obserwatorzy Maxwella w tych równaniach prawdopodobnie nie zmienili nic oprócz liter. Byłoby to jednak zbyt wiele. Oczywiście nie powinno dziwić, że można dodać coś do tych równań, ale znacznie więcej jak niewiele zostało do nich dodane ”.

Zostało to powiedziane w 1898 roku. I to jest całkowicie prawdziwe teraz, prawie sto lat później.

W rzeczywistości teoria elektromagnetyzmu zatrzymała się w rozwoju na poziomie Maxwella, który zastosował mechaniczne reprezentacje pierwszej połowy XIX wieku. Liczne podręczniki z zakresu elektrotechniki, elektrodynamiki i inżynierii radiowej, które pojawiły się w XX wieku, poprawiają (lub pogarszają?) Prezentację, ale nie zmieniają niczego w istocie. Czego brakuje dziś w teorii elektromagnetyzmu? Przede wszystkim nie rozumie się, że jakikolwiek model, w tym model elektromagnetyzmu opracowany przez Maxwella, ma ograniczony charakter i dlatego może i powinien zostać ulepszony. Brakuje zrozumienia potrzeby powrotu do modelowania, a dokładniej mechanicznego modelowania elektromagnetyzmu. Maxwell działał na idei eteru jako ideału, tj. Niewidzialnego i nieściśliwego płynu. A eter okazał się gazem i gazem, zarówno lepkim, jak i ściśliwym. Oznacza to, że zastosowane przez Maxwella pomysły G. Helmholtza, że ​​wiry nie tworzą się i nie znikają, a jedynie poruszają się i odkształcają, a iloczyn krążenia wzdłuż pola przekroju wiru pozostaje stały na całej swojej długości, jest daleki od zawsze prawda. W prawdziwym gazie wiry zarówno tworzą się, jak i znikają, a Maxwell nie bierze tego pod uwagę. Równania Maxwella nie odzwierciedlają procesu w objętości, ponieważ zarówno pierwsze, jak i drugie równanie Maxwella uwzględniają proces w płaszczyźnie. To prawda, że ​​ta płaszczyzna obraca się w osiach współrzędnych, co tworzy efekt trójwymiarowy, ale w rzeczywistości istota się nie zmienia, płaszczyzna pozostaje płaszczyzną. Gdyby proces ten był rozpatrywany objętościowo, należałoby rozważyć zmianę intensywności wiru wzdłuż jego osi, wówczas procesy tworzenia wirów i rozpadu wirów byłyby do pewnego stopnia uwzględnione. Ale tego właśnie brakuje w równaniach Maxwella. Dlatego te problemy, w których powstają te pytania, na przykład problem dipola Hertza w medium półprzewodnikowym, nie mogą być zasadniczo rozwiązane za pomocą równań Maxwella.

Maxwell nie bierze pod uwagę faktu bezpośredniej interakcji przewodnika z polem magnetycznym w chwili, gdy przewodnik przecina to pole.Prawo Faradaya, które jest bezpośrednią konsekwencją pierwszego równania Maxwella, w tym sensie jest prawem opisowym, fenomenologicznym, prawem dalekiego zasięgu, ponieważ w nim pole zmienia się w jednym miejscu, w obwodzie, a rezultatem tej zmiany jest pole elektromagnetyczne na obwodzie obwodu. Dziś znane są już znaczne rozbieżności między obliczeniami wykonanymi zgodnie z prawem Faradaya a wynikami bezpośrednich pomiarów. Różnica w niektórych przypadkach nie wynosi jeden lub dwa procent, ale kilka razy!

Ta lista może być kontynuowana w razie potrzeby.

Najmniej wszystkich tych zarzutów można przypisać samemu J. K. Maxwellowi. Teoria elektromagnetyzmu Maxwella okazała się tak dobra, że ​​na jej podstawie stworzono szereg najważniejszych dziedzin współczesnej nauki, rozwiązano ogromną liczbę zastosowanych problemów i wychowano pokolenia badaczy. Ale te zarzuty są prawdziwe w odniesieniu do kolejnych pokoleń naukowców, którzy wyobrażali sobie, że wszystko zostało zrobione przez Maxwella, i nie rozwijali dalej nauk Maxwella.

Nie wchodząc w szczegóły, można zauważyć, że zastosowanie pojęć eteru jako lepkiego ośrodka ściśliwego umożliwiło wyjaśnienie niektórych przedstawień teorii elektromagnetyzmu, w szczególności w celu rozwiązania niektórych z paradoksów wymienionych powyżej. Na przykład ładunki ruchome, chociaż pozostają nieruchome względem siebie, poruszają się względem eteru i dlatego powstaje pole magnetyczne, które zaczyna je łączyć.

Okazało się, że w bliskiej strefie emiterów powstaje podłużne pole elektryczne, w którym wciąż powstają wiry eterowe. W takim polu wektor napięcia elektrycznego znajduje się nie w poprzek kierunku ruchu energii, ale wzdłuż niego. I tylko w pewnej odległości od emiterów w wyniku dodania wektora takich pól powstaje fala, w której wektor napięcia elektrycznego jest już prostopadły do ​​kierunku propagacji energii.

Okazało się, że ze względu na ściśliwość eteru pole magnetyczne można również skompresować, a kompresja ta jest dość zauważalna nawet dla pól wytwarzanych przez prądy w dziesiątych częściach ampera. Eksperymentalna weryfikacja prawa prądu całkowitego, która, jak się okazało, nigdy nie została przez nikogo zweryfikowana ze względu na jego oczywistość i która bezpośrednio wynika z drugiego równania Maxwella, wykazała, że ​​prawo to jest dokładnie przestrzegane tylko przy zanikająco niskich natężeniach pola magnetycznego. Nawet w zwykłych przypadkach różnice między rzeczywistymi natężeniami pola a tymi obliczonymi zgodnie z tym prawem mogą być bardzo duże, co znacznie przekracza granice możliwych błędów pomiaru lub zaniedbania efektów krawędziowych.

Okazało się, że możliwe jest obliczenie pola elektromagnetycznego powstającego na przewodzie umieszczonym w pulsującym polu magnetycznym, a eksperymenty potwierdziły poprawność tych obliczeń.

Okazało się, że można stworzyć koncepcję „wzajemnej indukcji przewodów”, chociaż w elektrodynamice istnieje tylko koncepcja „wzajemnej indukcji obwodów”. Umożliwiło to opracowanie metodologii tworzenia zakłóceń referencyjnych w liniach komunikacyjnych urządzeń awioniki samolotów, wprowadzenie jej do odpowiedniego GOST i skuteczne wykorzystanie jej w praktyce zapewniania odporności na zakłócenia powietrznych linii łączności powietrznej. A wcześniej to nie działało ...

A to dopiero początek. Teoria elektromagnetyzmu czeka na Faradaya i współczesnego Maxwella. Nie można w nieskończoność wykorzystywać autorytetu wielkich, lecz dawno już minionych naukowców. Musimy sami pracować.