Аннотация: Извините за длительный перерыв. Было две операции и потом долго болел. Надеюсь теперь смогу закончить и другие главы к Дырам в физике.
Дыры в физике.
Глава 5.
Магнитное поле не существует!
Как люди пришли к понятию о магнитном поле? Когда на переломе древнего мира и средних веков, люди научились получать и обрабатывать железо, выяснилось постепенно, что некоторые железные руды притягиваются или отталкиваются друг от друга на расстоянии. Назвали такие руды магнитными. Когда этим явлением занялись физики, то, не мудрствуя, по аналогии с электрическим полем, о котором уже кое-что знали, назвали это явление магнитным полем и стали изучать. Сам термин - магнитное поле - оказался очень удобным и благополучно существует, и будет существовать всегда, несмотря на то, что магнитное поле на самом то деле не существует. Термин магнитное поле будет постоянно присутствовать и в этой работе - уж очень он удобен.
В этой главе мы не будем придерживаться порядка во времени открытия того или иного магнитного эффекта исключительно для удобства понимания самих процессов.
Начнем с точек Кюри.
Цитата.
Магнитной упорядоченности ферромагнетиков противостоит тепловое движение атомов. Чем выше температура - тем сильнее тепловое движение. Если постоянный магнит нагревать, то при определенной температуре ферромагнетик перейдет в парамагнетик, т.е. остаточная намагниченность исчезнет. Такая температура называется точкой Кюри.
Если мы охладим образец, он снова станет ферромагнитным, но потерянная намагниченность не восстановится - для этого нужно наложить внешнее магнитное поле.
Конец цитаты.
Хотя это открытие и относится к концу 19 - началу 20 века, когда уже все знали закон Ломоносова-Лавуазье, а именно, что ничто не возникает ниоткуда и не исчезает в никуда, но почему-то никто не задумался, куда делось из нагреваемого магнита магнитное поле и где оно теперь находится. Как и почему оно пропало - разобрались. А где оно сейчас есть или во что оно сейчас превратилось, никто не задумался.
Так может и вправду магнитного поля не существует, и мы этим термином называем что-то другое?
Теперь немного из векторной алгебры в приложении к физике. Иначе дальше и читать не стоит.
Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R (рис. 1). Ее положение через промежуток времени dt зададим углом dW. Элементарќные (бесконечно малые) повороты можно рассматривать как векторы. Модуль вектора равен углу поворота, а его направление совпадает с направлением поступательного движения острия винта, головка которого вращается в направлении движения точки по окружности, т.е. подчиняется правилу правого винта (рис.1). Векторы, направления которых связываются с направлением вращения, назыќваются псевдовекторами или аксиальными векторами. Эти векторы не имеют опредеќленных точек приложения: они могут откладываться из любой точки оси вращения.
Угловой скоростью называется векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени:
w = dW/dt
Вектор w направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта, т.е. так же, как и вектор w (рис.2)
На рисунке 3 изображено то же самое. Только вместо вращения радиуса вектора R показано, что материальная точка обегает траекторию по элементарно малым отрезкам dS.
Из рисунков видно, что простое плоское вращение радиуса R заменяется на вектор, перпендикулярный плоскости вращения этого радиуса - на вектор w.
В векторном виде формулу для линейной скорости v можно написать как векторное произведение v = wR. При этом модуль векторного произведения, по определению, равен wRsin(wR), а направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от w к R.
И вся эта математическая замена плоского вращения на вектор, перпендикулярный плоскости вращения прекрасно работает на практике. Проверено не одной сотней лет.
Значит, вращение вектора V в плоскости оказывает и реальное действие по направлению вектора w.
Запомним это как следует. Это нам очень пригодится в дальнейшем. (Моя вставка - обратите внимание, что, как только, по любым причинам, вектор R прекратит свое вращение, так и вектор W прекратит свое существование и станет равным нулю. Точно так же, если по любым причинам, величина вектора R станет равной нулю, то так же и вектор W прекратит свое существование и станет равным нулю.)
Цитата.
Опыт показывает, что, подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводќники с током или постоянные магниты. Название "магнитное поле" связывают с ориенќтацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (это явление впервые обнаружено датским физиком X. Эрстедом (1777-1851)).
Конец цитаты.
При чем тут электричество, да еще только в виде электрических токов?
Начнем с того, что в природе магнитные заряды (как аналог электрических зарядов) просто не обнаружены и практически нет даже намеков на их возможное обнаружение. То есть магнитные поля создаются не магнитными зарядами, а электрическим током. И только им. Кроме того, физики теоретически определили, что если бы существовал магнитный заряд (они его назвали магнитным монополем), то он с расстояния 1,5 км притянул бы к себе все, что может намагнититься, и обнаружение его было бы чрезвычайно легким. Но магнитный монополь в природе не найден. Значит, чисто магнитного источника магнитного поля в природе нет.
Дополнительно нужно продемонстрировать, что в любой точке пространства существует электрическое поле. Для этого нужно познакомиться с электрическим полем диполя.
Цитата.
Электрический диполь - система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, -Q), расстояние L между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя, (прямой, проходящей через оба заряда от отрицательного заряда к положиќтельному) и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя L.
Вектор p = QL, (заряд Q берется по модулю, то есть по абсолютной величине)
совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению модуля заряда на плечо, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.
Согласно принципу суперпозиции, напряженность Е поля диполя в произќвольной точке
Е = Е+ + Е-
где Е+ и Е- - напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Воспользовавшись этой формулой, рассчитаем напряженќность поля в произвольной точке на продолжении оси диполя и на перпендикуляре к середине его оси.
1. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А
Как видно из рисунка, напряженность поля диполя в точке А направлена по оси диполя и по модулю равна
ЕА = Е+ - Е-
Обозначив расстояние от точки А до середины оси диполя через r, на основании формулы для вакуума можно записать
Согласно определению диполя, l/2<
2. Напряженность поля на перпендикуляре, восставленном к оси из его середины, в точке В. Точка В равноудалена от зарядов, поэтому
где r' - расстояние от точки В до середины плеча диполя. Из подобия равнобедренных треугольников, опирающихся на плечо диполя и вектор ЕB, получим
откуда
Окончательно, получим
Вектор ЕB имеет направление, противоположное вектору электрического момента диполя (вектор р направлен от отрицательного заряда к положительному).
Конец цитаты.
Посмотрим, как дела с напряженностью электрического поля обстоят в любых других точках пространства. Для этого достаточно посмотреть на следующий рисунок.
Так как нигде в формулах не присутствует ноль в числителе, да и никогда не получается в числителе ноль (да и из рисунка это ясно видно), то нигде по всем направлениям напряженность электрического поля не равно нулю! Хотя вселенная и бесконечна, но от любой точки пространства до любой другой, как угодно далекой точки пространства всегда конкретное расстояние, а не математическая бесконечность. Поэтому от одного диполя во всей вселенной имеется электрическое поле, нигде не равное нулю.
При этом заряды могут быть как угодно близки, что на некотором расстоянии от диполя позволяет говорить, что заряда то и нет. Плюсовой и минусовый заряды как бы полностью взаимно погашают друг друга. И, несмотря на это, поле любого диполя существует и существует в любой точке вселенной.
Одиночному электрическому заряду не мешает довесок противоположного знака, как это имеет место в диполе. Поэтому и в этом случае по всем направлениям напряженность электрического поля не равно нулю! И так же распространяется на всю вселенную.
Конечно, на больших расстояниях это поле очень-очень маленькое и направления векторов напряженности всегда самые разные. В бесконечной и неподвижной вселенной, скорее всего сумма бесконечно малых и разнонаправленных векторов напряженности была бы равна нулю. Но в том то и дело, что вселенная находится в непрерывном движении! Поэтому практически нигде и никогда эта сумма бесконечно малых и разнонаправленных векторов напряженности не равна нулю. Она мала, но она есть всегда. Конечно, при движении галактик и других объектов вселенной может на краткий миг возникнуть линия, или поверхность с нулевой напряженностью поля, которая в следующее мгновение исчезнет из-за продолжающегося движения во вселенной.
Таким образом,
Везде и всегда есть небольшое и хаотически меняющееся вселенское электрическое поле!
Кстати, именно оно позволяет нам видеть звезды, так как вселенское электрическое поле является средой, в которой распространяются электромагнитные волны, в том числе и световые. Без наличия же среды никакие волны не распространяются. В Сахаре водяных волн не бывает - там песок, а не вода.
Существуют способы экранирования от внешнего электрического поля. Например, металлический полый шар или полая коробка из железа. Эти устройства, наверное, создают и экранировку от внешнего по отношению к ним вселенского поля. Однако поскольку их внутренняя поверхность имеет не абсолютно идеальную геометрическую форму, и как бы мы ее не полировали, всегда будут микро впадины и выступы на внутренней поверхности, которые состоят из атомов, то есть из электрических зарядов и диполей. Поэтому внутри защищаемого объема само собой образуется свое собственное микро вселенское электрическое поле. То есть электрическое поле есть везде и всегда.
Можно, весьма приблизительно, рассматривать вселенское электрическое поле, как громадную очень мелкую лужу под порывами ветра. Где-то в ней поглубже (вселенское электрическое поле имеет большую величину), где-то помельче (вселенское электрическое поле имеет меньшую величину). Где-то течение в луже в одну сторону (вселенское электрическое поле имеет одно направление), а где-то в другую (вселенское электрическое поле имеет другое направление). Где-то, вообще дно показалось на короткое мгновение. Это вполне хорошая аналогия вселенского электрического поля. Сразу делается понятным, почему мы не можем точно измерить скорость света (электромагнитных волн) - постоянная в данной среде скорость волн складывается с течениями по эффекту Доплера и сегодня в одном месте вселенной она такая, а, измеряя ее завтра, и в другой части вселенной обязательно получим другую величину - Земля-то в пространстве перемещается! Да плюс не идеальность самих приборов измерения. Всегда будут разные результаты, которые каждый может интерпретировать, как Бог на душу положит, и всегда, в конечном итоге, с нулевым практическим результатом.
Теперь же нам надо разобраться в том, что происходит в пространстве, если двигается одиночный электрический заряд, конкретно электрон, и как ведут себя электроны в проводниках.
Сначала, конечно, рассмотрим, одиночный электрон, двигающийся в пространстве прямолинейно и равномерно, как наиболее простой вариант движения, потом перейдем и к более сложным вещам. (При этом сначала, для простоты изложения, будем игнорировать вселенское электрическое поле, а затем добавим к рассуждениям его постоянное присутствие.)
Обратите внимание на то, что на рис.4-1 кривая линия, которая соединяет концы векторов Е01, Е1, Е2 и т.д. не окружность, а скорее, незамкнутый овал. Напряженность электрического поля в незамкнутом промежутке от действия электрона равна нулю! Ну, незамкнутость этого овала происходит от того, что в природе не существуют бесконечные расстояния и электрон начинает и заканчивает движения в конкретных точках пространства. По идее, тот вектор W, который получается при замкнутой окружности, должен в точке А быть сначала равным нулю, затем постепенно увеличиваться до максимума (Е2), затем постепенно уменьшаться и снова становиться равным нулю в точке А. То есть он и по величине не постоянный да и пропадающий на некоторое время.
Теперь вспоминаем про существование вселенского электрического поля. Оно то у точки А всегда есть! Следовательно, этот овал оказывается замкнутым. Поскольку поле электрона упорядоченно действует на этот промежуток, то вселенское поле в промежутке приобретает инерцию изменения из-за движения электрона и замыкает овал по тому же направлению, которое есть при движении электрона. Овал не просто замкнулся, а замкнулся по тем же правилам, как и образовывался. Следовательно, вектор W никогда не равен нулю, хотя то увеличивается, то уменьшается.
Если смотреть по линии хода (или против) электрона, то увидим следующую картину.
В плоскости, перпендикулярной траектории электрона, на расстоянии (радиусе) точка А - траектория электрона, образуется окружность в каждой точке которой (Б, С ...) образуется при движении электрона точно такой же вектор W, как и в точке А. То есть образуется круговое поле вектора W. Его то мы и считаем самостоятельным полем - магнитным полем - хотя это только довольно хитрое вращение вектора электрической напряженности. Вот и получается, что собственно само по себе магнитное поле не существует. К тому же величина его постоянно меняется, если в создании магнитного поля участвует одиночный заряд. В природе такого идеального варианта движения с постоянной скоростью по прямой одиночного электрона скорее всего и не существует. В образовании электрических токов, да и просто в любом мельчайшем кусочке вещества, всегда имеется невероятно много и отрицательных и положительных зарядов. Это сильно изменяет картину образования магнитного поля. К чему сейчас и переходим.
Естественно, учитывая, что положительный заряд дает такую же картину, только вращение вектора W будет происходить в противоположную сторону.
То есть, если рядом в одну сторону будут двигаться отрицательный заряд и положительный заряд, то получится, как на следующем рисунке.
Такое однонаправленное движение положительных и отрицательных зарядов происходит, если у нас есть ионизированные молекулы в газах или растворах.
То есть в таком случае магнитное поле получается и более сложной формы и более сильное. А так как прохождение одних и тех же точек траектории зарядов происходит в разное время, то магнитное поле меньше меняет свою величину. Но это нас мало интересует в нашем исследовании.
В природе полным-полно разных магнитных полей. Мы не будем рассматривать и их самих и возможные причины их появления именно в связи с их множественностью и недостаточной изученностью мира, в котором мы живем, а будем рассматривать только то, что нам легко доступно. То есть, то, что мы уже умеем массово делать своими руками или то, что легко можем проверить опытным путем.
Теперь будем рассматривать электрический ток, то есть движение электронов в проводах. Рассматривать будем несколько подробнее и в более "укрупненном", чем это обычно делается в разного рода учебниках физики.
Цитата (слегка сокращенная от расчетов и формул)
Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомќными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся "свободными" и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроќны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теќории металлов, свойствами идеального газа.
Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде-Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно-кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов
которая для комнатной температуре 110 км/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.
При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения электронов можќно оценить по согласно допустимой плотности тока, когда провод начинает плавиться из-за прохождения большого тока. Например для медных проводов, получим, что средняя скорость упорядоченного движения электронов равна 0,78мм/с. Следовательно, даже при очень больќших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловќливающего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения.
Конец цитаты.
И практически несопоставима со скоростью вращения электронов по орбитам вокруг атома.
Для начала вспомним, что любой провод имеет конечную длину и толщину, которая нам необходима. И то, что провода состоят из мириадов атомов, причем довольно тяжелых - примерно из середины таблицы Менделеева. То есть, вокруг ядер атомов вращаются довольно много электронов. Например, у меди это 32 штуки. Естественно, что их вращение происходит не в плоскости, а вокруг всего объема, занимаемого атомом. Примерно, как на рисунке. Вполне привычно и узнаваемо со школьных времен.
На этом рисунке изображено только 4 электрона. Поскольку в металлах их больше, то получается почти сплошная сфера из орбит электронов.
Скорость теплового движения электрона приблизительно 100 км. в с.
Скорость движения по орбите около 2000 км/сек.
Частота около 10 в 15 степени оборотов в сек., т.е. более миллиарда миллионов раз в сек.
Собственно, получается, что для свободных тепловых и прочих медленно двигающихся электронов, вокруг атома существует сплошное, примерно сферической формы, сильно заряженное отрицательным зарядом непроходимое и непробиваемое облако, которое с легкостью отбрасывает электроны, находящиеся вне его, отбрасывает их назад в междуатомное пространство, наподобие абсолютно твердого тела.
Поэтому провод можно рассматривать, как великое множество отрицательно заряженных сфер, крепко притиснутых друг к другу, как это изображено на рисунке.
Поскольку в природе нет ничего идеального, да и примеси в материале проводов имеются, то между отрицательно заряженных сфер промежутки получаются самой разной величины и формы. Некоторые промежутки соединены между собой. Из-за теплового движения атомов, которые непрерывно колеблются, постоянно изменяется и конфигурация промежутков между отрицательно заряженных сфер. Вот в этой, постоянно изменяющейся конфигурации промежутков между отрицательно заряженных сфер и происходит хаотическое движение свободных электронов.
Поскольку размеры отрицательно заряженных сфер во много раз больше размеров электронов, то, в основном, почти все электроны просто хаотично мечутся в промежутках между отрицательно заряженных сфер, и лишь очень немногим из них удается проскочить из одного промежутка в другой.
Как только мы накладываем на провод электрическое поле, то все свободные электроны получают строго направленную по направлению поля добавку к собственной скорости. Все они стремятся двинуться по полю, но отрицательно заряженные сферы им просто не дают этого сделать. Только ничтожно малое количество из числа свободных электронов успевает проскочить между сферами, но зато примерно в одну сторону. И, хотя их мало, по сравнению со всеми свободными электронами, но число их на самом деле измеряется многими миллиардами. Их хватает на создание огромных токов. Не буду загромождать следующий рисунок наличием сфер, просто покажу примерные пути движения электронов тока. С учетом того, что рано или поздно любой из них наткнется на отрицательно заряженную сферу какого либо атома и отскочит от него в обратную сторону, а затем снова будет пытаться двигаться по электрическому полю.
Примерно так и двигаются электроны в проводнике с током. Кстати это и есть причина столь малой скорости токовых электронов, по сравнению с тепловыми, полученная расчетным путем. Просто некоторые тепловые электроны со своей скоростью проскакивают между атомами и тут же останавливаются. Вот средняя скорость направленного движения электронов формально получается очень маленькой.
Все эти рассуждения понадобились только для того, чтобы сравнить последний рисунок с рисунком 4-1.
На рисунке 4-1 ясно видно, что "магнитное" поле, при движении одиночного электрона по прямой линии меняется по величине от какого-то минимального значения до максимума (на наикратчайшем расстоянии до точки А), а затем убывает до минимума. Когда же мы имеем дело с токами, даже ничтожной величины, в движении по совершенно произвольным направлениям, но примерно в одну сторону, участвуют мириады электронов. Каждый из них добавляет в точке А свое, изменяющееся по величине, "магнитное" поле. В результате в точке А "магнитное" поле и резко увеличивается по величине, и становится почти по величине постоянным. По крайней мере, на настоящий момент времени, не существует приборов, которые могут уловить при постоянном токе колебания величины "магнитного" поля из-за того, что пара-другая электронов в текущую секунду движется не так, как в предыдущую. Поэтому можно смело, как в любом учебнике, говорить о том, что постоянный электрический ток создает вокруг себя постоянное по величине магнитное поле. Но помнить о том, что оно не совсем постоянное необходимо. Пригодится для чего-нибудь.
В общем, то мы разобрались в том, что самостоятельно существующего магнитного поля не существует, под термином магнитное поле надо понимать очень сложно закрученное электрическое поле, образующееся только при движении электрических зарядов. На этом можно было бы и кончить, если бы не электромагнитные волны и закон Фарадея. Поэтому продолжим про них.
Перед вами рисунок электромагнитной волны такой, какой она существует в природе. Люди научились искусственно делать и модулировать (изменять форму) электромагнитной волны по своему произволу. На этом основано радио, телевидение, мобильная связь, интернет, радиолокация и много других технических средств, которые необходимы специалистам в работе. Конечно, звезды и недра планет тоже по своему модулируют испускаемые ими электромагнитные волны, но в чистом виде, в идеале электромагнитная волна выглядит именно так, как изображено на рисунке и все свойства электромагнитной волны здесь полностью присутствуют.
X, Y, Z - трехмерные координаты; V - скорость и направление распространения волны; H - напряженность магнитного поля в волне; E - напряженность электрического поля в волне.
Как и положено, магнитное поле перпендикулярно электрическому полю.
А теперь вспоминаем закон Фарадея ε = - dФ / dt. Где dФ / dt не что иное, как производная от изменения магнитного поля.
На рисунке, в месте пересечения волны с осью Х как раз максимальная производная для магнитного поля. И если бы магнитное поля существовало самостоятельно, то в этих точках к электрическому полю полагалась бы существенная добавка, направленная в ту сторону, куда электрическое поле уменьшается.
Поэтому, если бы в природе действительно существовало самостоятельное природное явление - магнетизм, то естественная, природная электромагнитная волна выглядела бы примерно, как на этом рисунке. Вся из себя кривая и непонятная. Чего на самом деле не наблюдается.
В чем же здесь дело? А дело в том, что в законе Фарадея магнитное поле делается нами самими в сторонке на разных приспособлениях!
То есть магнитное поле опять же само по себе в природе не существует.
То, что магнитное поле не существует, в дальнейшем может очень пригодится, когда всерьез займутся приведением физики в порядок. Заодно, кто-нибудь и до практического применения додумается.
Кстати, многие теоретики считают, что электрон состоит из стоячих электрических и магнитных волн. Вот то им радости будет, когда до них дойдет, что магнитное поле не существует и все их теории всего лишь хорошо изготовленный математический бред.
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5001.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5002.png){kind=small}
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5003.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5004.png){kind=small}
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5005.png){kind=small}
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5006.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5007.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5008.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5009.png){kind=small}
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5010.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5011.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5012.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5013.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5014.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5015.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5016.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5017.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5018.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/magnitnoe/df5019.png)