Электромагнитные взаимодействия в электродинамике

                (реферат)
    Современная электродинамика полна противоречий и не может объяснить множество простейших явлений. Для иллюстрации этого можно задать такой, например, вопрос. Из графиков для векторов магнитного (Н) и электрического полей (Е) электромагнитной волны, хорошо известных каждому школьнику, следует: эти вектора одновременно достигают максимальных значений и одновременно обращаются в ноль. Но тогда как может переменное магнитное поле порождать электрическое поле (и наоборот), если причина и следствие изменяются синхронно.
Не менее интересны и такие вопросы:
• Почему магнитное поле заряженного тела в связанной с ним системе отсчёта отсутствует, а в подвижной системе откуда-то появляется.
• Действительно ли в электродинамике не выполнятся третий закон Ньютона или это свидетельство несовершенства теории?
Обобщённая электродинамика (ОЭД) решает многие проблемы путём введения давно забытого продольного магнитного поля. Традиционная система уравнений Максвелла, не совсем адекватно отображающая действительность, заменяется новой, более правильной системой уравнений. Однако вихревая электродинамика Максвелла не отрицается, а, как считает А.К.Томилин [1], лишь дополняется описанием новых явлений, связанных с существованием потенциальной компоненты электромагнитного поля (ЭМП).
Некоторые учёные название «Обобщённая электродинамика» считают неудачным. В самом деле, название фундаментальной физической дисциплины не должно зависеть от появления в ней каких-то новых величин. Мне больше импонирует исторически обоснованное название: Электродинамика Ампера и Вебера (ЭАиВ).
Магнитного поля в общепринятом смысле в природе нет. Есть эффект, обусловленный движением электрических зарядов и конечностью скорости распространения взаимодействия. Если дать этому эффекту какое-то новое название, в переходной период возникнет большая путаница. В связи с этим, как и предлагают некоторые физики, разумно пока  оставить в обиходе термин «магнитное поле», но вложить в него новый смысл. В первом приближении (в порядке обсуждения) предлагаю такой вариант: «Магнитное поле – это релятивистская составляющая электрического поля, возникающая при относительном движении зарядов».    

1. Проблема третьего закона Ньютона в электродинамике Фарадея-
    Максвелла
Как взаимодействуют два параллельных бесконечно длинных проводника с током, описано в любом школьном учебнике элементарной физики. Задачу о взаимодействии непараллельных токов большинство физиков предпочитают не рассматривать, поскольку в ней обнаруживается нарушение третьего закона Ньютона.
Попытки решения этой проблемы в рамках существующих представлений об электромагнитном взаимодействии предприняты в известных учебниках И.Е. Тамма [3], А.Н. Матвеева [4], Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица [5], Э. Парселла [6]. Обычно отмечают [3], что постоянные токи по необходимости являются замкнутыми и «нарушение третьей аксиомы Ньютона связано лишь с представлением сил взаимодействия токов как сил попарного взаимодействия их элементов». Действительно, при описании взаимодействия двух замкнутых токов проблем не возникает.  Однако при расчёте сил взаимодействия двух перпендикулярных элементов тока получается сомнительный результат: один элемент (первый) действует на другой, а вот второй на первый – нет.   

2. Формула Ампера
Эмпирическая формула Ампера имеет вид (см.Рис.,форм. 1). Из нее следует, что перпендикулярные элементы тока вообще не должны взаимодействовать между собой, а при всех прочих положениях магнитные силы лежат на одной линии действия.
Оба выводы сомнительны. Первый – так как нет физических оснований считать, что F12 = 0. Второй – предполагает потенциальность сил, что не характерно для электромагнитного взаимодействия вообще и для магнитостатического в частности. При всём при этом формула (1) правильно описывает взаимодействие токов, расположенных на одной линии.
Таким образом, есть основание полагать, что каждый из подходов (Ампера и
современный) обладает недостатками, не позволяющими одновременно учесть все свойства электромагнитного взаимодействия: наличие поперечной и продольной составляющих и вихревой характер электромагнитной силы.

3. Как пытались решить проблему

3.1. Обобщённый закон сохранения полного количества движения
Решение этой проблемы обычно видят в обобщенном законе сохранения полного (механического и электромагнитного) количества движения [3]. Если процесс нестационарный, то излучаемые элементами электромагнитные импульсы направлены по соответствующим токам, а сами элементы испытывают при этом действие сил «торможения излучением». В состав системы в этом случае, кроме проводящих элементов следует включать и электромагнитное излучение. Однако введение этих сил не решает поставленную задачу – сумма пяти внутренних сил, не равна нулю.
Если, оставаясь в рамках общепринятых представлений об электромагнитном поле, смоделировать неизолированную систему, в которой электромагнитное поле считается внешним объектом, то действующие на элементы силы должны рассматриваться также как внешние. И парадокс трех внутренних сил опять останется неразрешенным.

3.2. Уровень взаимодействия двух движущихся точечных зарядов
Эту задачу часто пытаются рассматривать на уровне взаимодействия двух движущихся точечных зарядов. При этом возникает множество дополнительных проблем:
- необходимо учитывать кулоновское взаимодействие между частицами;
- все процессы следует рассматривать с учетом запаздывания (потенциалы Лиенара-Вихерта [7];
- так как равномерность движения частиц обеспечить невозможно (уже вследствие кулоновского взаимодействия), необходимо учитывать токи смещения и процессы излучения, а, следовательно, и силы «торможения излучением» (лоренцевы силы трения);
- кроме того, невозможно обеспечить прямолинейность движения свободных частиц.
По существу такой подход приводит к постановке совершенно другой задачи, которая выходит далеко за рамки электродинамической теории.
Таким образом, современная электродинамика не может разрешить проблему взаимодействия непараллельных токов.

4. Продольная сила Николаева

Проблема взаимодействия непараллельных токов была решена  в рамках собственно электродинамики (общие проблемы физики были затронуты лишь косвенно) благодаря весьма плодотворной идее Николаева Г.В. (г. Томск) [9-12]. Он предположил  существование еще одной составляющей электромагнитного взаимодействия, которая приводит к возникновению силы, действующей по направлению тока. Её назвали силой Николаева. По существу гипотеза Николаева Г.В. восходит к идее Ампера, которая отражена в законе Рис., форм.1. В частном случае взаимно перпендикулярного расположения элементов тока с учетом продольной магнитной силы имеем: dF12 = dF21.
Идея Николаева Г.В. помогает успешно решить проблему взаимодействия токов при любом их расположении (см. Рис. 2). Третий закон Ньютона при этом выполняется для полных магнитостатических сил FM, каждая из которых складывает из силы Ампера FA и силы Николаева F*, см. Рис., форм.2.
Полные магнитные силы расположены на параллельных линиях действия, что соответствует вихревому характеру электромагнитного взаимодействия.

5. Небольшой экскурс  в историю

• О трудах Максвелла
Обратимся к историческим фактам. В трудах Ампера показано, что в общем случае магнитная сила имеет две компоненты: одна из них ортогональна току, текущему в проводнике, другая действует по току или против него. Проследим отражение этой идеи Ампера в трудах Максвелла [13, 14].
Исследованиям Ампера по взаимодействию электрических токов Максвелл отводит главу II второго тома [13]. При этом он обращается к эксперименту с двумя замкнутыми контурами и одним плавающим в ртути проводником. Однако Максвелл рассматривает только случай симметричного расположения контуров в опыте Ампера и делает вывод: «Обнаружено, что никакой замкнутый контур, помещаемый поблизости, не в состоянии приводить этот проводник в движение». Исходя из этого, Максвелл заключает: «Единственным экспериментальным фактом, использованным нами в этом исследовании, является факт, установленный Ампером и состоящий в том, что действие замкнутого контура на произвольный участок другого контура перпендикулярно направлению последнего». Случай, когда контуры расположены несимметрично, Максвелл почему-то проигнорировал. Ссылок на другой эксперимент Ампера, в котором подтверждается взаимодействие токов, расположенных на одной линии, в трактате Максвелла вообще нет. Тем не менее, Максвелл приводит выражение для составляющих сил, действующих со стороны элемента ds на элемент ds;, в наиболее общей форме. При этом выражение содержит три компоненты силы:
- в направлении r , то есть по линии, соединяющей центры элементов;
- в направлении ds;
- в направлении ds;.
Анализируя возможные предположения о направлении силы между двумя элементами Максвелл [13] пишет «…несомненно наилучшим является принадлежащее Амперу, так как это единственное предположение, которое делает силы между элементами не только равными и противоположными, но и действующими по прямой линии, их соединяющей». Максвелл полагает, что две последние из перечисленных компонент силы равны нулю, и магнитные силы действуют по линии, соединяющей центры выделенных элементов.
Таким образом, Максвелл был приверженцем закона Ампера (1), признавая его в качестве основного. Однако, он не устранил недостатки этого закона и проигнорировал возможность продольного взаимодействия, что было убедительно доказано Ампером экспериментально.

• Точка зрения Хевисайда
Хевисайд (1988 г.) не признавал формулу Ампера основной формулой электродинами: «Ученые, не менее авторитетные, чем великий Максвелл, утверждают, что закон силы между двумя элементами тока – основная формула электродинамики…Я уверен, что здесь какая-то ошибка. Я ничуть не хочу лишить Ампера чести называться отцом электродинамики; я всего лишь хочу передать звание основной другой формуле, выражающей механическую силу, которая действует на элемент проводника, несущего ток в любом магнитном поле – векторное произведение тока и магнитной индукции. В этой формуле есть нечто реальное; она не похожа на формулу силы между двумя незамкнутыми элементами; она фундаментальна; и, как всем известно, ее постоянно используют, прямо или косвенно (через электродвижущую силу), как теоретики, как и практики» [2].
Таким образом, во второй половине XIX века возобладал подход, исключающий продольное электромагнитное взаимодействие. При этом отказались и от возможности рассматривать взаимодействие элементов тока, стали рассматривать только взаимодействие замкнутых контуров или бесконечных линейных токов. Вопреки исторической правде поперечную магнитную силу стали называть в честь Ампера.
Современный взгляд на электромагнитное взаимодействие является ограниченным, так как на дифференциальном уровне он позволяет описывать только взаимодействие параллельных токов или взаимодействие элемента тока с замкнутым электрическим контуром, а на интегральном – взаимодействие одноконтурных электрических систем. Поэтому при рассмотрении взаимодействия сложных электрических систем современная электродинамика не позволяет объяснить все возникающие явления.

Источники информации

1. Томилин А.К. Основы обобщенной электродинамики. – 2009. – 129 с
2.Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. – Москва - Ижевск:
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 512 с.
3. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М. «Наука», 1976.- 616 с.
4. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. – М. ВШ, 1976.- 416 с.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Электродинамика. Краткий курс
теоретической физики. Кн. 1.- М:. Наука, 1969. – 271 с.
6. Парселл Э. Электричество и магнетизм. Берклеевский курс физики. Т. 2. -
М. «Наука», 1975. - 439 с.
7. Ампер А.М. Электродинамика.- М.: АН СССР, 1954.
8. Максвелл Дж. Трактат об электричестве и магнетизме. В двух томах. – М.: Наука, 1989.
9 Николаев Г.В. Непротиворечивая электродинамика. Теории, эксперименты, парадоксы. – Томск, 1997. – 144 с.
10. Николаев Г.В. Современная электродинамика и причины её парадоксальности.
/ Г.В. Николаев. – Томск: Твердыня, 2003. – 149 с.
11. Николаев Г.В. Научный вакуум. Кризис в фундаментальной физике. Есть
ли выход? – Томск, 1999. – 144 с.
12. Николаев Г.В. Тайны электромагнетизма и свободная энергия. Изд. Второе дополненное.- Томск, 2002. – 150 с.
13. Максвелл Дж. Трактат об электричестве и магнетизме. В двух томах. – М.: Наука, 1989.
14. Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнтного поля. М.: ГИТТЛ, 1952.
                16.05.2015