# Заряд - материальный объект

Алекс Бачи

Обсудим заряд, но с несколько иных позиций, нежели тех, что преподают в школе.

Вступление

Строение вещества, пожалуй, краеугольный камень любой теории Мироздания. От того, какой элемент для нас станет "отправной точкой", будет зависеть логика дальнейшего повествования.

Согласно концепции, развиваемой в данном размышлении, роль "первоэлемента" мы поручим Заряду. Но трактовка этого термина будет несколько иной, нежели та, что представлена в школьном учебнике физики.

Начнём, пожалуй...


Заряд - материальный объект


Прежде чем перейти к основной части размышления, было бы уместно отметить важные моменты, касающиеся традиционного представления о Заряде.

В науке это понятие существует давно, так как масса физических явлений не может быть объяснена и описана без его непосредственного участия. Заряд - одно из наиболее загадочных физических понятий в современной системе знаний. Материальным объектом наука его признать отказывается, что довольно странно, ведь заряд обладает некоторыми свойствами, которые могут быть лишь у материального объекта. Проанализируем некоторые из них.

Первое свойство заряда:

Возможность любого тела участвовать в электромагнитном взаимодействии определяется вовсе не тем, что собой представляет само тело, а количеством зарядов, которые у него имеются в различных вариантах постановки опыта. Причём, заряды в произвольной форме могут, как появиться у тела, так и покинуть его, и тело никак не может этому воспрепятствовать. Читаем формулировку Закона сохранения электрического заряда в учебнике:

Электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела другому или перераспределяются внутри тела.

Формулировка из учебника самым непосредственным образом сообщает нам, что заряд - это объект, в противном случае мы имеем дело с довольно странным свойством, которое ни к чему конкретно не относится и само решает, как вести себя в той или иной ситуации.

Второе свойство заряда:

По какой-то неведомой науке причине в любой точке Вселенной зарядов всегда ровно столько, сколько нужно для притяжения и отталкивания тел. В первом случае у каждого из тел должно быть равное количество положительных и отрицательных, во втором - равное количество зарядов одного знака. Получается, что Мироздание только того и ждёт, как бы угодить капризному экспериментатору, всегда предлагая требуемое количество тех и других.

Учитывая этот момент, можно согласиться с тем, что зарядов в любой точке Вселенной действительно достаточное количество, а вот существование двух их разновидностей - момент спорный. Скорее, речь идёт об одном типе заряда, который обладает свойствами притяжения и отталкивания одновременно, проявляя их в зависимости от конкретных условий.

Именно эта версия представляется наиболее правдоподобной.


Учитывая то, что современная наука имеет представления о Заряде весьма противоречивые, предлагается такая формулировка:

Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Из определения следует, что мы имеем дело с комплексным объектом, то есть - системой, состоящей из множества материальных объектов значительно меньшего размера, связанных друг с другом каким-то видом связи, не позволяющим им распасться на самостоятельные элементы. Второе важное следствие - наличие у любого заряда огромного количества энергии, ведь в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все движутся. По своей сути заряд - это и есть энергия, так как массовая его составляющая в сравнении с энергетической ничтожна. О массе заряда чуть позже, а сейчас о различных их разновидностях.


Какие бывают заряды


Как уже было отмечено ранее, в любой точке Вселенной зарядов очень много. И это ничуть не удивительно, ведь именно заряд является не только источником энергии, но и строительным материалом для всех остальных материальных объектов - атомов и молекул. К тому же, согласно принципу масштабирования, физические размеры зарядов могут быть какими угодно, отличаясь друг от друга в миллионы и миллиарды раз. Электрические заряды настолько маленькие, что разглядеть их не поможет даже самый мощный микроскоп, а вот Шаровую молнию можно увидеть без каких-то специальных приспособлений. Существуют и совсем грандиозные заряды - звёзды. То есть, наше Солнце - типичный заряд, по строению мало отличающийся от электрического заряда или любого другого. Все известные виды излучений - световое, тепловое, рентгеновское и радиоволны в том числе, тоже состоят из зарядов. Если современная физика частичку света называет фотоном, то в терминологической среде данного размышления его можно назвать световым зарядом, что сути самого явления ничуть не изменит.

Итак, мы выяснили, что заряды могут иметь размеры очень разные, но строение у них общее. В наиболее общем виде это тороид, к примеру, такой:


Рис. 1


Классический тороид (рис. 1) можно сравнить с баранкой, но это вовсе не означает, что он не может выглядеть как подобие сферы:


Рис. 2


Несмотря на отличие картинок (рис. 1 и рис. 2), обе они изображают тороид, так как основное тело фигуры вращения располагается вне её центра. Если по своей форме электрические заряды тяготеют к форме бублика, то наше Солнце уже выглядит как полноценная сфера - во всяком случае, с Земли. И это неудивительно, ведь мы видим всегда только его бок, тогда как "центральный ствол" любой звезды располагается строго перпендикулярно к плоскости эклиптики, а значит, и по отношению ко всем планетам, которые кружат где-то неподалёку. Почему Солнце имеет именно такое расположение, мы обсудим ближе к концу главы.

Продолжаем...


Масса заряда


В очередной раз отметим необычность материального объекта, называемого зарядом. Он действительно совсем не похож на знакомые нам со школы атомы и молекулы, так как наиболее близкая к нему аналогия - пчелиный рой. То есть, элементы, из которых состоит заряд, пребывают в вечном движении. Правда, в отличие от пчелиного роя, они не могут на время улететь по своим делам, а затем вернуться. Им суждено вечно кружить хоровод по достаточно сложной траектории в составе единого объекта.

Теперь непосредственно о массе.

С точки зрения вещественности, проблем никаких нет, ведь согласно наиболее общей формулировке этого термина, масса - это арифметическая сумма всех элементов, его составляющих. Проблема лишь в том, что сосчитать бесчисленное количество постоянно движущихся частиц практически невозможно. К тому же, они настолько малы, что не изобретено такого микроскопа, в который их можно было бы разглядеть. Причём, более крупный размер заряда нам вряд ли поможет, ведь посчитать количество элементов, составляющих Солнце - задача столь же невыполнимая. То есть, дело вовсе не в наличии подходящего инструмента, а в самом объекте - достаточно необычном по своему строению.

Другой способ измерения массы - расчёт через объём и плотность для нас тоже не годится, ведь ни того ни другого у заряда нет. Просто потому, что в зависимости от внешних факторов, траектории перемещения элементов в составе "общего роя" могут изменяться - для покоящегося заряда одна конфигурация движения, для движущегося несколько иная. Внешнее воздействие температуры и давления на него также окажет влияние - заряд может сжаться или наоборот - расшириться, причём, значительно. С атомом ситуация выглядит намного проще, ведь у него имеется довольно прочная оболочка, которая в широком диапазоне температур и давлений лишь незначительно меняется в объёме. У заряда такой оболочки нет.

Расчёт массы заряда с использованием инерции тоже не поможет, ведь рассматриваемый нами объект хотя и представляет собой единую систему, но каждый его отдельный элемент обладает определённой свободой манёвра. Конечно, все элементы заряда имеют вполне определённые массовые характеристики, а значит, и инерцию. Проблема лишь в том, что они движутся по достаточно сложным замкнутым траекториям, и поэтому получить однозначную картину взаимодействия не получится - одни элементы будут действовать фронтально, другие по касательной, третьи вообще перемещаться в обратном направлении, уклоняясь от столкновения. Даже если мы и получим какой-то результат, то его выражение в привычных величинах массы вряд ли будет иметь практическую пользу. Ситуация аналогична попытке ударить палкой по пчелиному рою - он либо не заметит столь бесцеремонного вмешательства, либо изменит своё местоположение, а может и наброситься на агрессора. Ценность любого опыта в повторяемости результата при неизменных начальных условиях. Заряд - не самый удачный претендент на роль подопытного кролика.

То есть, обычными способами определить массу заряда мы не сможем - ни через простой подсчёт элементов, ни через формулу массы m=pv (произведение плотности на объём), ни путём измерения его инертности. Тут бы расписаться в собственном бессилии, но к счастью, в физике уже достаточно давно существует "бесполезная формула" тождественности массы и энергии - М=Е. То есть, определив энергию некоторого количества зарядов, мы сможем хотя бы косвенным образом судить об их массе. К тому же, человечество имеет определённый инструментарий для измерения энергии зарядов. Статические электрические заряды - малоподвижные либо покоящиеся - хорошо регистрирует электроскоп и вольтметр, движущиеся по проводнику - амперметр. Для радио и рентгеновского излучения существуют различные детекторы - полупроводниковые либо индукционные. Тепловое и световое излучение можно почувствовать вообще без применения приборов - зрительно и тактильно.


Ранее уже отмечалось, что фотон вполне можно именовать "световым зарядом". Отличие его от "теплового заряда" лишь в размерах, поэтому странно, что физика, весьма склонная к изобретению различных научных терминов, и для него не придумала чего-то подобного. К примеру, теплон или термион (от слова termo), по аналогии с фотоном и электроном.

Теперь пару слов о массе фотона.

Считается, что он не имеет массы покоя, а лишь массу движения, называемую инерционной. Отсюда следует закономерный вывод, что при остановке фотон исчезает. То есть, согласно учебнику физики - покоящихся фотонов в природе не существует вообще. Довольно странное утверждение, ведь согласно Закону сохранения Массы такого быть не может. Математическое объяснение этого феномена конечно же существует, но выглядит довольно сложно, и понимают его далеко не все. Тем не менее, на бумаге доказательство исчезновения фотона выглядит вполне научно.

С позиций традиционной физики объяснение может выглядеть совсем просто:

Пока фотон движется в составе светового потока, мы его можем регистрировать различными способами - визуально и инструментально. Покоящийся фотон (световой заряд) увидеть невозможно, так как он не вступает во взаимодействие с рецепторами глаза и другими сенсорами, поэтому проще сказать, что его нет, нежели допустить его существование в те моменты, когда он не движется. При этом, превращение фотона в электричество почему-то не кажется очевидным. В организме человека поток фотонов, детектированный глазными рецепторами, превращается в электрический импульс, который отправляется на обработку в мозг. Попав на пластину солнечной батареи, фотон превращается в электрический ток. То есть, "остановленный фотон" просто меняет своё название, превратившись в электричество, тепло или что-то подобное. Даже дети знают, что подставив увеличительное стекло под солнечный свет и сфокусировав, можно получить довольно приличную температуру - 200-300 градусов Цельсия, позволяющую выжигать на дереве или бумаге. Тем не менее, не только в учебнике физики, но и в достаточно солидных научных изданиях утверждение о том, что фотон бесследно исчезает, повторяется с завидной регулярностью.


Форма Заряда


Пришло время обсудить, почему форма заряда именно такая, а не какая-то другая.

Ранее уже неоднократно было отмечено, что заряд для природы объект уникальный, и именно поэтому ему мы определили центральную роль в формировании вещества. Несмотря на то, что заряд ничуть не менее материален, чем атом или молекула, его массовые характеристики в сравнении с энергетическими можно назвать ничтожными. Это значит, что инерция у него практически отсутствует, что позволяет заряду легко изменять траекторию своего движения, тормозить и разгоняться практически мгновенно. По своей сути заряд представляет собой сгусток энергии, так как в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все пребывают в постоянном движении, даже в том случае, когда мы обсуждаем статический электрический заряд, который не меняет своего положения в Пространстве. Покоящийся заряд можно сравнить со стоящим на месте торнадо, который неторопливо вырывает комья земли и песка, разбрасывая их по всей округе. Для того чтобы понять, насколько торнадо и заряд внешне схожи, предлагается такая картинка:


Рис. 3


Обычно торнадо выглядит как медленно ползущая по земле серая труба с воронкой наверху, из которой вылетает всякий мусор. Это и не удивительно, ведь именно в центральной части торнадо воздух вперемешку с мельчайшими каплями воды уплотняется настолько, что становится видимым. Всё что происходит на его периферии уже не столь наглядно, но очевидно, что структура строения торнадо - это тороид. На следующей картинке мы видим ту же фигуру, где изображена траектория движения лишь одного элемента заряда из великого множества:


Рис. 4


Если тороид выглядит подобно сфере (рис. 4), то движение каждого его элемента проходит по такой необычной траектории. В классическом тороиде (рис. 1) в виде "бублика", траектория движения отдельного элемента выглядит несколько проще:


Рис. 5


Здесь мы видим (рис. 5) замкнутую пружину, которая хорошо иллюстрирует сразу два типа вращения - продольное и поперечное. В совокупности они формируют сложное трёхмерное движение каждого отдельного элемента заряда. Собственно, именно благодаря тому, что движение элементов происходит по трём пространственным осям одновременно, мы и наблюдаем у заряда столько удивительных свойств - электрических, магнитных и гравитационных. Чтобы не усложнять сверх меры дальнейшие рассуждения, нам потребуется более простой "схематический образ". Для этого траектории движения всех элементов системы мы условно разделим на два типа вращения - продольное и поперечное:


а)


б)


в)


Рис. 6


Первое - осевое (рис. 6а) или "телесное", при котором все элементы движутся вдоль условной линии, совпадающей с самой фигурой вращения. Второе - поперечное (рис. 6б), когда вращение происходит в плоскости, перпендикулярной осевой линии тела, как бы выворачивая его наизнанку. Теперь совместим эти два направления вращения на одной картинке (рис. 6в), и в дальнейших рассуждениях будем использовать именно такой "образ заряда".

Следующий вопрос:

Почему заряд обязательно должен выглядеть как бублик, а не в виде сферы или плоскости?

Все составляющие заряд элементы в процессе своего движения по замкнутым траекториям стремятся оказаться как можно ближе к центру фигуры, но их скорость слишком велика, чтобы там задержаться, и поэтому они пролетают мимо, каждый раз возвращаясь. Это и является причиной возникновения у заряда собственного электромагнитного поля, вследствие чего он способен проявлять электрические, магнитные и гравитационные свойства, реализуя один из своих потенциалов при взаимодействии с другими физическими или материальными объектами. Здесь в полной мере работает эмпирическое Правило трёх перпендикуляров, которое можно сформулировать следующим образом:

Для преобразования потоков частиц - магнитного, гравитационного и электрического, являющихся по отношению друг к другу родственными, но взаимно перпендикулярными, необходимо их "развернуть" в ту или иную сторону, используя подходящую для этого "геометрическую схему".

Теперь то же самое, но чуть более простым языком:

Поскольку мы живём в трёхмерном Пространстве, то цифра "три" для него является в некотором смысле символической. По трём точкам можно задать расположение плоскости, табуретка на трёх ногах стоит устойчивее, чем на двух или четырёх. Цифра "3" символизирует движение от одной точки к другой, три слона, стоящие на огромной черепахе, три богатыря, три девицы под окном и многое другое...

Итак, из одной точки мы можем провести лишь три взаимно перпендикулярные прямые. То есть, все последующие перпендикуляры будут совпадать с уже существующими. Движение условной материальной точки в трёх пространственных осях одновременно позволяет получить фигуру вращения, называемую тороидом, в геометрическом центре которого формируется гравитационный потенциал, который и удерживает все элементы заряда в составе единого объекта. Движение материальной точки по какой-то иной траектории, к примеру, по окружности или сфере, к такому эффекту не приведёт. Все вопросы, связанные с гравитацией, обсудим в отдельной главе, целиком посвященной этой теме.

Вследствие движения элементов по замкнутой траектории в составе единого объекта, заряд способен сохранять всю свою энергию - кинетическую, потенциальную и внутреннюю до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с другим объектом - зарядом, атомом, молекулой или более сложной системой элементов. При этом, даже не вступая во взаимодействие, он уже обладает уникальными способностями, ведь наличие у него собственного электромагнитного поля наделяет его сразу тремя Потенциалами - магнитным, электрическим и гравитационным. Эмпирическая закономерность, называемая Правилом трёх перпендикуляров, позволяет определить, какой из трёх Потенциалов заряда в момент взаимодействия реализуется в конкретное действие - магнетизм, электричество или условно бесконтактное воздействие, называемое гравитационным.

О практическом применении указанного выше Правила чуть позже, а сейчас несколько слов о физических полях.


Электромагнитное поле заряда


Поскольку речь зашла о Поле, необходимо внести некоторую ясность и в этот, непростой для физики, вопрос.

Понятие Поле в современной науке, пожалуй, одно из наиболее загадочных. Порой складывается ощущение, что любые сложности, возникающие при объяснении того или иного физического явления, решаются лишь простым упоминанием этого термина, и сразу всё становится просто, понятно и обыденно. Предметы падают на землю - гравитационное поле, в катушке появился ток - электрическое, магнит притягивает или отталкивает - опять поле, но уже магнитное. Это только в физике, а если мы привлечём математику, то различных полей с их удивительными свойствами станет ещё больше. Дабы не размениваться на частности, далее обсудим только Электромагнитное поле, а все другие - реальные и вымышленные, оставим за рамками данного размышления.

Сначала заглянем в учебник:

Электромагнитное поле - фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами.

Физическое поле - особый вид материи.

Собственно, на этом обзор классического представления современной науки о Поле можно закончить. Здесь мы имеем лишь определения, указывающие на существование вполне реального физического феномена, но его суть они ничуть не проясняют. Конечно, особым видом Материи поле названо по какому-то нелепому недоразумению, ведь само по себе оно существовать не может, его возникновение целиком зависит от других объектов и их свойств. Поскольку такое физическое явление как Электромагнитное Поле действительно существует, то этот термин требует какого-то разумного определения. Выше по тексту дано сразу две формулировки, их мы чуть изменим, к примеру, таким образом:

Электромагнитное поле - особая форма движения материальных частиц, формирующая магнитные и электрические свойства у различных материальных объектов.

Поле - физический объект, состоящий из материальных частиц, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Возникает интересный парадокс - представленная формулировка Поля практически полностью повторяет определение Заряда:

Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.

Может возникнуть вопрос:

Значит ли это, что Поле и Заряд - одно и то же?

И да и нет. Электромагнитное поле и Заряд - физические синонимы, поскольку друг без друга существовать не могут. Если есть заряд, то у него обязательно имеется собственное электромагнитное поле, но поля без Источника не возникнет. Эту почётную роль может исполнить только заряд. При этом, сколько бы ни было зарядов в Пространстве, они всегда останутся самостоятельными материальными объектами, в то время как поля этих зарядов могут складываться, вычитаться, умножаться и делиться. То есть, при определённой конфигурации зарядов в какой-то точке Пространства они могут сформировать общее поле, а при другой - поля зарядов будут противодействовать друг другу. Возможно также, что в каком-то замкнутом объёме зарядов более чем достаточно, а электромагнитного поля и вовсе нет. Это как раз тот случай, когда заряды находятся внутри источника питания, батарейки, конденсатора, на пластиковой расчёске, шерстяном свитере, но никакого электромагнитного поля вокруг этих предметов мы не обнаружим. То есть, для возникновения электромагнитного поля с той напряжённостью, которую мы смогли бы измерить приборами, зарядов не только должно быть много, но требуется также и их определённая конфигурация в Пространстве. Для обнаружения электромагнитного поля у проводника, по которому движутся электрические заряды, потребуется достаточно чувствительный прибор, либо очень большой ток. Но если провод смотать в катушку, то даже при небольшом токе мы обнаружим довольно высокую напряжённость её электромагнитного поля при взаимодействии с железом или магнитами. Другими словами - у заряда электромагнитное поле есть всегда, но обнаружить его довольно трудно в силу очень малого размера самого объекта. У катушки из провода электромагнитное поле может быть огромным, но только тогда, когда по ней движется большое количество электрических зарядов - электрический ток.


А теперь, пожалуй, пришло время ответить на главный вопрос:

Что собой представляет электромагнитное поле?

Как уже было отмечено выше, именно заряд выступает в качестве Источника для возникновения электромагнитного поля, но его элементы не являются частью этого поля. Поле формируется из сторонних элементов "младшего" уровня размерности, которые слетаются как ночные мотыльки на свет костра, ведь заряд - главный источник энергии во Вселенной. Это значит, что все элементы, испытывающие недостаток энергии, будут стремиться туда, где её много. Заряд - главная цель для всех элементов, которые значительно меньше его по размеру. А поскольку движение - это и есть энергия, то вновь прибывшие элементы попытаются принять участи в общем хороводе. Вокруг заряда обязательно возникнет вторичный поток, который и создаст его электромагнитное поле. Чем выше энергия самого заряда, тем больше сторонних элементов вольются в общий поток, а значит, напряжённость такого поля также будет выше.

Ещё раз акцентируем этот важный момент - элементы, формирующие электромагнитное поле заряда, не являются "обязательной частью" самого заряда, а значит, могут легко покинуть систему, как только у них возникнет более привлекательная цель. Именно так поле может складываться, умножаться и делиться. Поскольку сам заряд - это материальный объект, элементы которого прочно удерживаются в составе системы вследствие существования у него гравитационного потенциала, то взаимодействие между зарядами будет происходить на уровне элементов, составляющих его поле. То есть, сторонних элементов, которые могут быть присоединены либо утрачены в зависимости от конкретных обстоятельств. Сам заряд при этом сохранится в неизменном виде, приобретя, либо потеряв какую-то часть кинетической энергии.

Для иллюстрации такого явления вполне подойдёт аналогия с пропеллером, вращение которого приводит в движения поток воздуха, состоящий из молекул различных газов - азота, кислорода, водорода, углекислоты и других. Вентилятор прочно закреплён на валу электромотора и является инициатором появления воздушного потока, независимо от плотности, температуры и влажности газовой среды. Он будет вращаться даже в безвоздушном пространстве, там, где плотность газов крайне низка. Соответственно, в плотной газовой среде вблизи пропеллера возникнет мощный поток воздуха, а в безвоздушном пространстве вся система будет работать вхолостую. В данной аналогии заряд - это пропеллер с моторчиком, а нагнетаемый им воздушный поток - электромагнитное поле заряда.

Условно бесконтактное взаимодействие заряда с другими зарядами, атомами и молекулами всегда происходит посредством электромагнитного поля.

Теперь представим, что тот же самый вентилятор мы немного видоизменили, добавили ему лопастей и вставили в турбореактивный двигатель, где таких пропеллеров уже несколько штук. Это уже другая, более мощная система, способная не только создать воздушный поток, но и поднять в небо пассажирский самолёт.


Для того чтобы отличие между полем и зарядом ещё более акцентировать, будет полезным дать такие определения:

Материальный объект - тот, что сохраняет свои основные физические характеристики на длительном промежутке времени.

Физический объект - некоторая пространственная конфигурация материальных объектов, имеющая определённую структуру строения вследствие существования определённых обстоятельств.

Подытожим:

Физический объект, называемый нами электромагнитным полем, своим существованием обязан Источнику, который его сформирует. Его поле целиком состоит из сторонних элементов "младшего" уровня размерности по отношению к элементам, составляющих сам заряд. В качестве первичного источника электромагнитного поля может выступить лишь заряд, зато вторичных мы знаем достаточно много - это и обычный магнит, и катушка из провода, по которой течёт электрический ток, и даже целая планета, вокруг которой существует сложное движение частиц, называемое Магнитным полем Земли. Посмотрим ниже, как это может выглядеть:


а)


б)


Рис 7.


На первой картинке (рис. 7а) изображён пространственно ориентированный заряд, вокруг которого располагается его электромагнитное поле (концентрические линии зелёного цвета, образующие сферу). Следующая картинка (рис. 7б) - это уже изображение Магнитного поля Земли из школьного учебника физики. Вертикальная стрелка на первой картинке (рис. 7а) - направление магнитного потенциала заряда, на нижней картинке (рис. 7б) тоже изображены линии со трелками, указывая на расположение магнитных полюсов Земли. Сравнение этих двух изображений указывает не только на внешнее сходство, но и на общую функциональность, несмотря на серьёзные различия в размерах целой планеты и очень маленького электрического заряда.


Потенциалы электромагнитного поля


Чтобы закончить обсуждение электромагнитного поля, несколько слов о его потенциалах - электрическом и магнитном. Сначала о том, что мы понимаем под понятием Потенциал. В самом широком смысле это - возможность произвести какое-либо действие при возникновении определённых обстоятельств. Когда говорят, что у творческого человека высокий потенциал, подразумевается, что он способен на многое, но это вовсе не означает, что человек обязательно реализует свои таланты в реальности. К примеру, подающий надежды пианист может неудачно упасть и сломать руку. После того как кости срастутся, вряд ли мышцы и сухожилия будут столь же эластичными как и раньше, а значит, блестящая карьера в музыке для него под большим вопросом, но известным писателем или физиком-ядерщиком он вполне может стать.

То есть, под Потенциалом электромагнитного поля мы подразумеваем его возможность произвести какое-либо действие при соответствующих обстоятельствах. Наличие самого потенциала под сомнение не ставится, так как у заряда имеется некоторое количество собственной энергии, которая инициирует вокруг него электромагнитное поле, способное эту энергию использовать. Поскольку поле мы именуем электромагнитным, то оно обладает сразу двумя потенциалами - электрическим и магнитным. Конечно, имеется и третий потенциал - гравитационный, но его мы подробно обсудим в теме, целиком посвящённой гравитации.

Итак, каждый из потенциалов электромагнитного поля - магнитный и электрический, является прямым следствием характера движения частиц, составляющих заряд. Ранее мы условно разделили сложное трёхмерное движение элементов заряда на два типа движения - телесное и поперечное. Поскольку частицы поля получают энергию движения заряда, встраиваясь в общий "вторичный поток", то получится, что траектория их движения будет копировать рисунок перемещения элементов, составляющих сам заряд. То есть, электромагнитное поле также можно рассматривать как систему, обладающую двумя типами движения - телесным и поперечным. Соответственно, первый потенциал - магнитный, следствие поперечного вращения элементов, составляющих поле, а второй - электрический, результат их движения, совпадающей с самой фигурой вращения.

Смотрим ниже:


Рис. 8


Согласно Правилу трёх перпендикуляров, магнитный потенциал Ф строго перпендикулярен электрическому В, и если первый представляет собой вектор, то второй - это уже окружность. Соответственно, воздействуя на электромагнитное поле заряда фронтально вдоль прямой, совпадающей со стрелкой Ф, мы реализуем магнитный потенциал заряда, который будет выражаться притяжением либо отталкиванием взаимодействующих полей. Это назовём магнетизмом. Если же поле заряда будет взаимодействовать с окружностью - катушкой из провода либо кольцом, то реализуется его электрический потенциал В. Данное взаимодействие выразится в возникновении электрического тока в катушке либо в кольце из металла.

Важно также отметить, что при взаимодействии с электромагнитным полем одновременно может реализоваться лишь один потенциал - магнитный либо электрический, но не оба вместе, ведь разделение на два типа движения - телесное и поперечное - это условность, необходимая для упрощения логических построений. Поскольку направление перемещения элементов электромагнитного поля - это физически неразделимая совокупность двух типов движения, то одномоментно может реализоваться любой из двух потенциалов.

Теперь буквально несколько слов о третьем потенциале электромагнитного поля заряда - гравитационном. Нетрудно догадаться, что третий перпендикуляр по отношению к прямой и окружности - это точка, находящаяся в геометрическом центре фигуры вращения. Этот потенциал характеризует гравитационную массу заряда или его поля, и в самом общем смысле говорит об инерции системы. Практический смысл его в том, что именно он является характеристикой вещественности заряда или поля как системного объекта. Без воздействия гравитации никакой из потенциалов электромагнитного поля реализоваться не может. Пример из электротехники:

До тех пор, пока магнит движется вдоль прямой, перпендикулярной катушке из провода, в цепи будет некоторый ток. Как только магнит остановится, ток пропадёт. То есть, для возникновения электрического тока в катушке магнит обязательно должен двигаться относительно её. Направление роли не играет, важен сам факт движения.

В этом и заключается действие гравитационного потенциала электромагнитного поля - он выражает общую массу системы как сумму масс всех участвующих в ней элементов. Соответственно, реализация гравитационного потенциала заряда возможна лишь в том случае, если на его электромагнитное поле воздействуют сразу два фактора - электричество и магнетизм.


Далее попробуем ответить на вопрос:

Почему современная наука считает, что типов заряда два?


Положительный или отрицательный?


По всей видимости, это просто устоявшееся мнение, которое никто всерьёз не подвергал сомнению в силу очевидности. А поскольку множество экспериментов указывает на то, что одни заряды притягиваются, а другие отталкиваются, то вывод напрашивается сам собой - типов заряда два. В данном случае работает логическое правило - самый простой ответ и является правильным. И не важно, что гипотеза о двух типах зарядов существует уже более трёх столетий, будто бы с тех пор человечество не узнало ничего нового.

Всё бы хорошо, но возникает совсем "неудобный" вопрос:

Почему отрицательных и положительных зарядов в любом месте, где бы они ни понадобились, всегда оказывается нужное количество?

Известно, что природа рациональна и никогда не усложняет сверх необходимости. Зачем создавать два идентичных элемента с противоположными свойствами, когда и один с этой задачей легко справится? Магнит - типичный пример, указывающий на существование такого природного сценария, при котором один объект обладает сразу двумя противоположными свойствами - притяжением и отталкиванием. Всё как в обычной жизни - с одним молодым человеком девушка с радостью пойдёт на вечеринку, а другого и на километр к себе не подпустит. Затем в Небесной Канцелярии что-то поменяется, и ненависть перерастёт в любовь...

Так ли нужен физике отрицательный заряд?

Окружающая природа пока не предоставила ни одного примера, указывающего на существование в ней такого физического понятия как - отрицательность. Любой материальный объект положителен по своей сути, как и все физические явления и процессы. К примеру, когда два автомобиля едут навстречу друг другу, вряд ли кто-то будет утверждать, что скорость одного из них отрицательна. Направление их движения по отношению друг к другу будет противоположным, встречным, но вовсе не "отрицательным". К тому же, магниты появились задолго до изобретения электричества, но почему-то до сих пор никто их полюса не называет "плюсом" и "минусом". Они либо "север" и "юг", либо по цвету маркировки - "красный" и "синий".

Теперь предыдущий вопрос сформулируем чуть иначе:

На основании какого физического принципа могут существовать "положительный" и "отрицательный" заряды?

Когда в учебнике физики мы видим кружок красного цвета с плюсом и синего с минусом внутри, то это очевидно и есть тот самый "визуальный образ заряда" - отрицательного или положительного. Подразумевается, что каждое тело обладает равным количеством зарядов противоположных знаков, но если потереть их друг о друга, то часть зарядов одного из знаков переместится. Почему так происходит, учебник не поясняет.

К такому утверждению имеется минимум два возражения:

Во-первых, разноимённые заряды притягиваются, что уже само по себе подразумевает их перемещение с одного тела на другое как минимум парами. Если же другое тело "более положительно" либо "более отрицательно", то оно притянет к себе заряды только противоположного знака и в том количестве, сколько нужно для создания "равновесия зарядов". То есть, у разноимённых зарядов нет никакой причины перемещаться куда-либо для увеличения положительного или отрицательного потенциала. Вероятность их слияния со своим "антиподом" на порядок выше, чем стремление что-то "зарядить". К тому же, разноимённые частицы при встрече друг с другом должны образовывать электрически нейтральный элемент - тот же нейтрон, который свойств притяжения и отталкивания не может иметь по определению. Об этом учебник нам тоже не сообщает ничего.

Во-вторых, утверждение о том, что может существовать "однополюсный элемент" или "однозаряженная" элементарная частица, не выдерживает никакой критики. Даже не важно, речь идёт об отрицательной частице или сугубо положительной. Во всяком случае, до нынешнего момента все попытки создания искусственного "однополюсника" так и не дали результата. Например, не существует магнита, который бы имел лишь один полюс или шарообразного конденсатора, внешняя поверхность которого была бы заряжена одним знаком, а находящаяся внутри, другим. Конечно, существуют математические модели, которые утверждают, что однополюсный магнит - практически у нас в руках, только нужно ещё немного поднапрячься. Увы, два типа заряда красиво выглядят лишь на страницах учебника.


Из всего вышеизложенного сделаем вывод, что существование двух типов зарядов-антиподов вряд ли возможно в реальности. Далее попробуем обосновать наличие у одного материального объекта сразу двух противоположных свойств - притяжения и отталкивания. То есть, по аналогии с обычным магнитом - с одной стороны заряд обладает свойством притяжения, с другой - отталкивает.

Чем "притягивающий" заряд отличается от "отталкивающего"?

Смотрим на следующий блок картинок:


а)


б)


Рис. 9


Очевидно, что здесь изображены вовсе не разные объекты, а один и тот же в двух вариантах - первый (рис. 9а) по отношению ко второму (рис. 9б) развёрнут на 180 градусов, о чём свидетельствует направление их вращения - телесного и поперечного. Используя классическую терминологию, один из зарядов мы можем смело называть "положительным", другой - "отрицательным". Отсюда следующая формулировка:

Положительность и отрицательность электрических зарядов возникает вследствие их взаимной ориентации в Пространстве по отношению друг к другу и к другим материальным объектам.

Собственно, это и есть ответ на вопрос их появления в нужном месте в необходимом количестве, ведь "сортировкой зарядов по знаку" займутся сами взаимодействующие тела - на пластиковой расчёске скопятся заряды одного "знака", а на листочках бумаги другого. Согласно существующей в данном размышлении терминологии, любой диэлектрик обладает той или иной поляризацией, которая как раз и отвечает за их способность присоединять к себе заряды тем или иным "полюсом". Все электростатические эффекты основаны именно на этом свойстве диэлектриков. Проводники электрического тока поляризацией не обладают. Соответственно, о существовании поляризации у полупроводников можно говорить лишь предметно, в зависимости от выбора материала, значений температуры, давления, степени его электризации и так далее....

Почему бы всем зарядам не примагнититься друг к другу?

Если бы во Вселенной существовали только заряды, то вероятно, так действительно могло бы произойти - все они соединились бы друг с другом, образовав грандиозный зарядный кластер, заполнив собой всё Пространство. К счастью, кроме зарядов в природе существует масса других элементов - атомы, молекулы, кластеры и системы. К тому же, разновидностей самих зарядов довольно много, а значит, и размеры их тоже сильно отличаются. Способность к соединению в большие кластеры или потоки возникает лишь тогда, когда в определенном месте скапливается значительное количество зарядов близких по форме и размерам. Как мы выяснили ранее, электрический заряд больше похож на бублик, а световой на сферу, поэтому, даже имея близкие размеры, они не смогли бы образовать кластер. Тем более, у фотона (светового заряда) магнитные свойства настолько слабы, что такие заряды вообще не склонны к образованию каких-либо связанных структур, в то время как для электрического заряда магнетизм - это норма.

Далее несколько картинок, иллюстрирующих притяжение и отталкивание электрических зарядов:


а)


б)


Рис. 10


Сначала рассмотрим случай с притяжением электрических зарядов. На верхней картинке (рис. 10а) два заряда, близких по размером, направления вращения которых совпадают - осевое и поперечное, вследствие чего их электромагнитные поля сливаются в одно общее, которое удваивается по напряжённости. А поскольку поле одно, то и гравитационный центр у него тоже один. Несмотря на возникшее единодушие, сами заряды слиться друг с другом никак не смогут, так как при уменьшении расстояния вдруг окажется, что их поперечное вращение всё-таки встречное. То есть, пока они находятся на расстоянии, их вращение попутное, и все сторонние элементы, вовлечённые в общий процесс, движутся так, будто бы заряд один. Но когда расстояние между зарядами значительно уменьшается, траектории движения их собственных элементов становятся встречными, вследствие чего возникает непреодолимый барьер, препятствующий слиянию зарядов в один. Красные стрелки на нижней картинке (рис. 10б) показывают наличие некоторой минимальной дистанции для взаимного расположения зарядов.

В механике такая схема выглядит как ремённая передача. В данном случае общее электромагнитное поле двух зарядов исполняет роль ремня, который удерживает два шкива в жёсткой связке, но не мешает им вращаться в одном направлении. Если мы уменьшим расстояние между шкивами так, что они начнут задевать друг об друга, то система утратит работоспособность вследствие встречного вращения шкивов.


Рис. 11


Следующая картинка (рис. 11) показывает, что понятие "близкие размеры" - в достаточной мере условно. К примеру, отличие пространственных габаритов зарядов даже в 2 раза не станет особым препятствием для образования между ними кластера. Как и в предыдущем случае, общее электромагнитное поле увеличится, но слияния двух зарядов в один всё равно не произойдёт. Также следует отметить, что для возникновения эффекта притяжения, дистанция между зарядами должна быть достаточно короткой для того, чтобы произошло слияние их электромагнитных полей. То есть, эффект притяжения возникает лишь с определённой дистанции, и чем она короче, тем сильнее его проявление.


Физика отталкивания зарядов хотя и выглядит как полная противоположность притяжению, но это вполне самостоятельный процесс. Все те, кто экспериментировал с магнитами, могли заметить, что невозможно выбрать какую-то конкретную дистанцию между двумя магнитами, ближе которой они начинают притягиваться. Дело в том, что в основе притяжения лежит принцип объединения двух полей в одно, и этот процесс зависит от такого числа переменных величин, что их расчёт становится просто невозможным. То есть, момент слияния двух полей в одно всегда происходит спонтанно, поэтому и не может быть описан какой-то стандартной формулой или графиком.

Динамика отталкивания всегда основана на противодействии электромагнитных полей, независимо от расстояния между взаимодействующими объектами, поэтому она легко прогнозируема на всех этапах сближения. Для отталкивания совсем нетрудно построить график зависимости силы от расстояния, который будет справедлив и для других магнитов с близкими параметрами.

Это значит, что "магнитную левитацию" на свойстве отталкивания магнитов можно организовать даже в самых кустарных условиях, а с использованием эффекта притяжения - не получится, как ни старайся.

Смотрим на картинку:


Рис. 12


Здесь мы видим (рис. 12) два заряда, вращение которых в поперечной плоскости взаимно встречное. Красные окружности отмечают примерное расположение электромагнитного поля для каждого заряда. Поскольку движение элементов встречное, то и их поля тоже будут противодействовать друг другу. Чем ближе расстояние, тем больше элементов участвует во взаимодействии, а значит, и сопротивление будет возрастать.

Пожалуй, дополнительные пояснения здесь излишни.


Далее ещё пара картинок, иллюстрирующих возможные варианты взаимодействия зарядов разного размера:


Рис. 13


Рис. 14


Собственно, последние две картинки отвечают на вопрос, почему все заряды во Вселенной не могут соединиться в единый кластер. Для этого следует их упорядочить не только по размеру, рассортировав каким-то образом, но и развернуть "правильной стороной". Поляризованный диэлектрик на это отчасти способен, а сами заряды - нет. Именно поэтому пластиковая расчёска притягивает кусочки бумаги, но для этого её требуется потереть о другой диэлектрик, как раз для того, чтобы рассортировать заряды, развернув нужной стороной, что позволит значительно усилить общее электромагнитное поле каждого из диэлектриков. Оно и будет взаимодействовать с листочками бумаги на расстоянии в несколько сантиметров. Окунув расчёску в воду или обернув металлической фольгой, мы разрушим поле, так как электрические заряды потеряют чёткую ориентацию в Пространстве, вновь став самостоятельными материальными объектами, не связанными друг с другом никакими "обязательствами".


Солнце - это заряд?


Чтобы наше построение не выглядело вольной фантазией, обсудим ближайший аналог электрического заряда в природе с использованием метода масштабирования, подтвердив тем самым право на существование и такой необычной модели. Поскольку современные возможности человечества пока не позволяют заглянуть в микромир столь глубоко, обратим взор на объекты глобального масштаба. Итак...

Рассмотрим знакомую нам с детства Солнечную систему с центральной звездой в центре. Ниже картинка из школьного учебника для четвёртого класса:


Рис. 15


На картинке выше (рис. 15) мы видим систему элементов со звездой в геометрическом центре и планетами, располагающимися в плоскости эклиптики. Ранее мы уже отмечали, что Солнце - типичный заряд. Интересно, что взаимного притяжения между планетами не наблюдается, но все они почему-то явно "тяготеют" к Солнцу. Если любая звезда - действительно чем-то похожа на электрический заряд, то согласно Правилу трёх перпендикуляров магнитный потенциал Солнца должен быть направлен строго перпендикулярно плоскости эклиптики, ведь вся система тоже движется относительно центра галактики, и магнитный потенциал Ф в какой-то мере можно назвать тем "мотором", благодаря которому всё это и происходит. С высокой степенью вероятности можно предположить также, что все планетарные системы в галактике имеют схожие "углы наклона" по отношению к центру галактики и движутся в тех же направлениях, что и Солнечная система. Для подтверждения этой идеи стоит обратиться к астрономам, ведь они в данной теме обладают наибольшей компетенцией.

Сравнение Солнца с зарядом позволяет также ответить на вопрос расположения всех планет в плоскости эклиптики. Отсутствие взаимного тяготения между планетами объясняется довольно просто - главный источник энергии солнечной системы - это само Солнце, поэтому выбор очевиден. Единственная причина, по которой планеты не разлетаются по Вселенной кто куда - их постоянная потребность в энергии. Они как ночные мотыльки тянутся к солнечному излучению, которое распространяется в плоскости, точно также, как электрический потенциал В у заряда. Синий круг на картинке (рис. 8) - это и есть плоскость эклиптики, где электрические свойства электромагнитного поля максимально выражены. Изменился лишь масштаб участников - электрический заряд очень маленький, а Солнце наоборот - имеет грандиозные размеры, при этом природный Сценарий остался прежним. Это значит, что планеты получают от центральной звезды электричество в том виде, которое соответствует их масштабу, а магнитный потенциал их стремится развернуть перпендикулярно к плоскости эклиптики. Как раз так, чтобы взаимодействие между электромагнитным полем Солнца и Магнитным полем Земли происходило лишь с использованием электрического потенциала. И вращаются планеты вокруг собственных осей как раз для того, чтобы электрический потенциал Солнца, представляющий собой окружность, "выпрямить" в прямолинейный энергетический поток. Всё как в обычной жизни - длинную нитку удобнее всего хранить в клубке или на катушке, а когда она нам понадобится, клубок можно размотать.

Из учебника физики мы знаем, что 99,9% массы Солнечной системы приходится на её центральную звезду. Утверждение может показаться не слишком очевидным, если учитывать размеры планет и их расстояние от звезды. Тем не менее, ранее по тексту было отмечено, что гравитационная масса системы подвижных элементов, составляющих электрический заряд или Солнце, располагается как раз в геометрическом центре системы. В этом и состоит главное свойство гравитационного потенциала - суммировать массу всех подвижных элементов системы, представляя её как единое целое. То есть, это не само Солнце имеет столь грандиозную массу, равную массе Солнечной системы, оно лишь находится в том месте, где гравитационная масса максимально сосредоточена. Окажись на этом месте маленький Плутон, пришлось бы ему приписать всю массу Солнечной системы. Вспомним известную притчу об океанах и морях, которые ничего не стоят без рек и ручьёв, наполняющих их водой. Несмотря на "выдающиеся размеры и способности" самого Солнца, все участники общей динамической системы - планеты, астероиды, большие и маленькие, а также космическая пыль и всевозможные газы участвуют в формировании как физической массы Солнечной системы, равномерно распределённой по общему объёму, так и гравитационной, расположенной в её геометрическом центре.


Чёрные Дыры - что это такое?


Нелишне также вкратце обсудить космический феномен, который астрономы называют Чёрными Дырами. Утверждается, что в центре каждой из галактик обнаружены странные объекты, представляющие собой воронки. Вспомним, что в самом начале размышления о заряде, мы предположили его физическую форму в виде тороида, тяготеющего к форме сферы. Предлагался такой его "образ":


Рис. 16


А теперь акцентируем внимание на его "центральном стволе":


Рис. 17


Вот она - Чёрная Дыра во всём своём великолепии! То есть, ничего такого, что мы могли бы назвать нереальным и фантастическим, ведь это "центральный ствол" любого заряда, в геометрическом центре которого как раз и сосредоточена вся его гравитационная масса. Очевидно, что физики и математики каким-то образом сумели обнаружить "феномен избытка массы" в таком образовании, но предоставить адекватное объяснение ему не смогли, потому и возникло столько мистики вокруг Чёрных Дыр, вплоть до искривления пространства и времени. Материалистический взгляд на структуру строения Вселенной отрицает любые манипуляции с нематериальными - Пространством и Временем, а потому существует сугубо "механическое" объяснение такой спиралевидной структуры, не требующее никаких "экстремальных предположений".

Современная наука почему-то считает, что массивные объекты, падая в "жерло" Чёрной Дыры исчезают там безвозвратно. Оставим это утверждение на совести впечатлительных исследователей, памятуя о Законе сохранения массы, одном из главных в нашей Вселенной. Согласно ему, если что-то в Чёрную Дыру "случайно упало", то оно обязательно из неё "выпадет" с противоположной стороны в неизменном (с точки зрения массы) виде. То есть - никаких парадоксов близнецов, путешествий во времени и прочей фантастики.