Токи смещения в металлах, диэлектриках и в вакууме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Токи смещения в металлах, диэлектриках и в вакууме

Геннадий Ивченков

Аннотация

Проанализирован нестационарный режим работы униполярного генератора. Показано, что в этом случае в незамкнутом проводнике текут токи, которые вызваны изменением потенциала на концах проводников.

Проанализирована возможность возникновения предсказанных Максвеллом токов смещения в «физическом вакууме». Предположено, что источником токов смещения в данном случае являются электрон-позитронные пары, выводимые из равновесия приложенным электрическим полем.

1. Токи смещения в униполярном генераторе

В униполярном генераторе в стационарном режиме наводится постоянная ЭДС, равная (для случая однородного поля), где - длина проводника, - скорость его движения в магнитном поле с индукцией В. Это значит, что заряды смещены, разделены лоренцевой силой и на одном конце проводника скопились отрицательные электроны, а другой заряжен положительно за счет «дырок» или вакансий.

В нестационарном режиме, когда, например, проводник разгоняется в поле, заряды смещаются (движутся) до тех пор, пока скорость проводника не станет постоянной. Это значит, что при нестационарном режиме в проводнике течет ток смещения. Этот ток смещения, при этом, вызывает появление силы Ампера, тормозящей проводник.

Можно оценить ток смещения, возникающий в этом случае.

Сила Кулона, действующая на два одинаковых разноименных заряда определяется по формуле: , где - расстояние между зарядами (длина проводника).

Напряженность электрического поля определяется как: .

Тогда ЭДС, наведенная в проводнике длиной будет: .

Следовательно заряд скопившийся на конце проводника будет равен: .

И тогда ток смещения, текущий в проводнике при его разгоне в однородном магнитном поле с постоянным ускорением a будет определяться как: .

Сила Ампера, тормозящая в этом случае проводник будет равна: .

Таким образом, ток может течь и разомкнутом проводнике, вызванный изменением потенциалов по длине проводника и, как следствие, смещением (движением, перераспределением) зарядов вдоль проводника. Очевидно, что этот ток возникает в нестационарном тежиме и может быть только переменным.

Надо отметить, что аналогичные токи смещения и силы должны возникать в тведых, жидких и газообразных диэлектриках и полупроводниках в случае их неравномерного движения в магнитном поле. Известно смещение зарядов в подобных средах, вызванное их тепловым движением в магнитном поле, которое называется эффектом Холла. Заряженные элементы этих сред движутся хаотически, ускоряясь и замедляясь, что должно вызывать силы, описанные выше. Но в этом случае данные силы статистически нейтрализуются и за счет этого суммарная сила равна нулю.

2. Токи смещения в пространстве

2.1 Введение

Переменные токи смещения были введены Максвеллом и входят в его систему уравнений [3]. Они замыкают контур с переменным током в пространстве.

До сих пор ученые не установили физическую природу токов смещения. Здесь главным является вопрос: а смещение чего вызывает эти токи. Известно, что электрическое поле, приложенное к диэлектрику, его поляризует. В случае жесткого диполя, он разворачивается в поле. Некоторые среды не имеют дипольных молекул, но приложенное поле их деформирует (растягивает заряды), в результате чего молекулы становятся дипольными [3].

В пустом пространстве (вакууме) молекулы, дипольные и не дипольные, очевидно, отсутствуют, но, тем не менее, вакуум поляризуется. Кстати, это со времен Фарадея и Максвелла служило доказательством существования поляризующейся среды - эфира. Постулированная же в СТО полная пустота сделала поляризованный вакуум парадоксом (пустота не может поляризоваться). Последующие открытия показали, что вакуум - не пустота, а некая, практически неизученная, среда. Ее назвали физическим вакуумом, затем - темной материей и энергией. Но, тем не менее, вопрос о природе токов смещения остался открытым и до сих пор некоторые «теоретики» считают токи смещения химерой. Например, можно прочитать [1]: «Когда Максвелл вводил закон (более ста лет тому назад!), пpиpода электpомагнитного поля была не понятна. Поэтому он допускал, что и пеpвое слагаемое выpажает собой какой-то скpытый от пpямого измеpения ток смещения. В настоящее вpемя пpиpода поля выяснена (надо же, наконец-то!, И. Г.), и стало ясно, что пеpвое слагаемое в указанном уpавнение (4.48) может быть названo "током" лишь фоpмально. По pяду pасчетных сообpажений такое название, не пpидавая ему пpямого физического смысла, целесообpазно сохpанить, что в электpотехнике и делается. По этой же пpичине вектоp D, входящий в выpажение для тока смещения, называют вектоpом электpического смещения.»

В то же время, эти токи работают в конденсаторах; они занимают важнейшее место в системе уравнений Максвелла, то есть это - физическая реальность!

2.2 Поляризация вакуума и «переход массы в энергию»

Далее необходимо коснуться материала, выходящий за рамки темы данной статьи - проблемы «темной материи».

Возникает логичный вопрос: что же в среде, именуемой вакуумом, может поляризоваться? Где там заряды?

Ответ напрашивается сам - это то, что называют виртуальными частицами, в частности, пары электрон-позитрон. Официально считается, что когда эта пара аннигилирует, то есть они исчезают - исчезает их масса и заряд, при этом испускается фотон (один или два) - то есть квант жесткого излучения, уносящий выделившуюся энергию согласно пресловутой формуле .

По поводу фотона-частицы.

Тут надо отметить, что определение фотона как частицы пришло напрямую из корпускулярной теории Ньютона, а Эйнштейн переименовал его из некрасивого слова «корпускула» в благородное «фотон». То, что «фотон», вобще-то, явялется волной было давно известно уже тогда и «частица», не имеющая массы покоя, приобрела, также, и волновые свойства. Надо отметить, что, вобще-то, классические волны, такие, например, как акустические или поверхностные, передают энергию и количество движения не будучи частицами. Если волну остановить, то ее энергия покоя и количество движения будут, очевидно, равны нулю. В 60-х годах была открыта акустооптика и введена фиктивная частица акустической волны, которую назвали «фононом». Так вот, акустооптические эффекты основаны на механическом взаимодействии «настоящей частицы» - фотона с квазичастицей - фононом. Тут сразу возникает вопрос, а не является ли сам фотон квазичастицей?

По-видимому, является! То что принимают за массу фотона, по всей вероятности, является количеством движения кванта (порции) электромагнитной волны (деленным на скорость распостранения волны), а вектор Пойнтинга, не имеющий никакого отношения к массе фотона, переносит энергию.

Кроме того, световое давление (которое считается одним из главных доказательств фотон - частицы) легко объясняется без привлечения «массы фотона» [3]. В частности, электрическая составляющая поля волны вызывает ток в металле, а взаимодействие тока с магнитной составляющей волны создает силу Ампера. При этом вектор Е (если смотреть по направлению движения волны) должен идти первым, а вектор В должен быть смещен относительно него по часовой стрелке на 90 градусов. Тогда сила Ампера будет направлена по направлению движения волны. Так как Е и В меняют фазу одновременно, то сила Ампера при перемене фазы остается направленной по направлению движения волны. Сила эта переменная, пульсирующая с удвоенной частотой электромагнитной волны.

По поводу перехода энергии в массу и наоборот:

Основываясь на вышеприведенной формуле, многие «физики-теоретики» перевели все виды энергии в массу. Если считать, что этот «процесс перехода энергии в массу» существует на самом деле, то выявится масса очевидных абсурдных парадоксов. Например, существует (?) так называемая «масса магнитного поля», «масса электрического поля» и, даже «масса кинетической энергии». «Масса фотона» появилась из тех же соображений (правда, она фигурировала еще в корпускулярной теории света). Но тут очевидно, что если поля имеют массу, то они гравитационно притягивается к немагнитным телам и друг к другу. Кроме того, если эта «масса» существует, то ее можно измерить. То есть, ненамагниченный материал имеет одну массу, а, если его намагнитить, то его масса увеличится. Но, ничего подобного замечено не было. Далее, при аннигиляции масса должна полностью переходить в энергию гамма-кванта, но этот же гамма-квант является «частицей» со своей массой! То есть масса пары переходит в массу фотона. И где же тут переход массы в энергию? Список подобных «парадоксов» можно продолжить.

Одним из основных аргументов в пользу существования «перехода энергии в массу и массы в энергию» является «дефект массы» при ядерных реакциях. Но, в связи с концепцией «темной материи» этот «дефект» может быть объяснен, как перевод части массы атома в массу электрон-позитронных пар, то есть, в «темную материю». Установлено, что электрон-позитронные пары участвуют в атомных реакциях и, в частности, при распаде ряда атомов наблюдается испускание позитрона. То есть, эти пары могут входить в атом в связанном виде и, при атомной реакции, выделяться и уходить в «темную материю». Тогда знаменитая формула только представляет энергию, необходимую для этого перехода и все это «энерго-материальное философствование» не имеет под собой физического смысла.

Далее, при аннигиляции исчезает заряд, что, также, является нарушением закона сохранения заряда. Тут, конечно, могут возразить, что микромиру законы макромира не писаны, но это - не ответ!

В этом случае логично предположить, что ни масса ни заряд электрон-позитронной пары никуда не исчезает, а при аннгиляции выделившаяся энергия деформирует эфир, вызывая в нем электромагнитную волну. Если эту волну отразить назад, то она будет поглошена парой, которая опять распадется на электрон и позитрон. То есть «КПД» этого механизма очень высокий - стремиться к единице (т.е.потери при процессе аннигиляции и распаде пары - «фоторождении» - очень малы). При аннигиляции заряды этой пары никуда не исчезают, а полностью компенсируется; масса, также, остается. При этом, эта комбинированная частица электрон-позитрон становится полностью нейтральной, магнитный момент также компенсируется, и она почти не взаимодействует с окружающей материей, а ее присутствие определяется только гравитацией. То есть эта пара превращается в «темную материю». По видимому, зеркальные пары типа электрон-позитрон, протон-антипротон и т.п. обладают свойством полной компенсации, то есть полностью входят друг в друга, в отличии от обычной материи.

Природа, вобще-то, попыталась сделать что-то подобное с обычной материей и, в результате, появилась «горбатая частица» - нейтрон - комбинация протона и электрона (это не совсем так - кроме кулоновых там действуют и внутриатомные силы). Но в обычной материи не может быть полного взаимопроникновения и электрон «пристроился» где-то сбоку, о чем свидетельствуем магнитный момент нейтрона. Протону такой сосед «не нравится» и в свободном состоянии нейтрон неустойчив - распадается на протон и электрон.

Далее, очевидно, что пару электон-позитрон можно растащить создав сильное электрическое поле. Собственно, это и происходит в природе - при воздействии сильного излучения из вакуума «выскакивают» вполне реальные электрон и позитрон. Если энергии не достаточно, то они снова аннигилируют и «исчезают», а при подачи достаточной энергии они могут разлететься и «начать независимую жизнь». Очевидно, что растаскивает пару в этом случае электрическое поле - составляющая электромагнитной волны.

2.3 Оценка вклада кулоновых сил в энергию аннигиляции

Можно определить энергию, необходимую для растаскивания этой пары (учитывая только кулоновы силы, которые в микромире никто не отменял).

Эта энергия будет равна:

(в СИ)

эрг. (в СГСЭ при ).

В первом приближении можно предположить, что заряд распределен внутри электрона пропорционально объему, как у равномерно заряженного шара, по зависимости:

.

Тогда сила взаимодействия внутри пары будет: .

При этом работа, затраченная на разведение зарядов на расстояние, равное радиусу электрона будет равна:

. То есть эта часть энергии равна 1/5 от энергии, потраченной на разведение зарядов из в ? и суммарная энергия будет равна , что в системе СГСЭ составит порядка эрг или Дж.

Далее, можно сравнить полученную энергию с энергией аннигиляции этой пары, вычисленной по известной формуле.

эрг или Дж.

Таким образом, энергия, потраченная на разведение пары, взаимодействующей по закону Кулона, близка к энергии аннигиляции.

Да, кстати, в дираковской модели вакуума присутствуют только электроны, а позитрон является только «дыркой» - вакансией, не имеющей массы. Тогда, почему в формуле фигурируют две массы? Известно, что позитрон является вполне реальной частицей имеющей реальную массу; при этом же, в случае «дырки» эта масса должна быть равна нулю или быть отрицательной (также, как и заряд, вычитаемая из массы континиума). Выходит, что дираковская модель - принципиально неправильная?

Так или иначе, но энергии получаются соизмеримые - того же порядка. Тут, кстати, возникает вопрос, а от какого расстояния считать? Строение электрона никто не знает. Можно предположить, что заряд равномерно распределен по его объему; это объясняет его магнитный момент, но при этом должны возникать очень большие кулоновы силы растяжения, разрывающие электрон. Данный расчет - конечно грубый, оценочный, полностью основанный на классической модели, но, тем не менее, очевидно, что значительную часть энергии аннигиляции приходится именно на кулоновы силы. Надо отметить, что, по все видимости, кулоновы силы здесь не одни (у протон-антипротона энергия аннигиляции на 3 порядка больше кулоновых сил, но, правда, опять откуда считать), то есть, здесь присутствует еще какая нибудь глюонная частица - что нибудь вроде «трижды очаровательного глюкона». Кстати, при аннигиляции протона и антипротона кроме гамма кванта выделяется вполне реальная, имеющая массу частица, - р мезон. Это, опять же, к вопросу о «переходе массы в энергию».

Ну да бог с ним, внутренним строением электрона - можно только добавить, что он, скорее всего, действительно «неисчерпаем, как атом».

Следовательно, продолжим считать, что заряд равномерно распределен по объему. Тогда получается, что заряд в центрах электрона и позитрона равен нулю. Следовательно, если эти частицы точно сцентрированы, то сила взаимодействия также равна нулю и появляется только при смещении. Таким образом, наложение электрического поля вызывает смещение электрона и позитрона относительно друг друга и пара поляризуется как в диэлектрике (Рис.1).

Рис. 1

В случае переменного электрического поля заряды приходят в движение, а это и есть ток - ток смещения.

Как было сказано выше, в первом приближении можно предположить, что заряд распределен внутри электрона пропорционально объему по зависимости:

.

Тогда сила взаимодействия внутри пары будет: или в СГСЭ [дин], где - смещение. Работа (энергия), приложенная для совмещения зарядов будет равна:

.

Рис. 2

Видно, что зависимость получается крутая (пропорциональна 4-й степени расстояния), что оставляет внутри пары пространство, где смещение может быть вызвано малыми силами, то есть, слабым электрическим полем.

Таким образом, при воздействии на систему энергией А (например, импульсом электрического поля Е) элементы пары разойдутся на расстояние R. При снятии импульса возникнут колебания. Так как система нелинейная с жесткой характеристикой, то колебания (с большой амплитудой) будут несинусоидальными, а период собственных колебаний будет зависеть от амплитуды. Можно оценить параметры такой системы:

Так как, где, тогда смещение будет равно:

, где А - энергия, полученная системой.

Можно определить период колебаний данной системы:

.

Если в уравнение для периода подставить некоторые величины смещения , то частота собственных колебаний будет от Гц при 0.001 до Гц при 0.1, что соответствует длиннам волн от до при 0.001. В то же время, напряженность электрического поля, необходимая для разведения элементов пары даже на расстояние 0.001 составит порядка В/м. Это значит, что реальный сдвиг - еще меньше. Если предположить, что так называемое «реликтовое излучение» вызвано колебаниями электрон-позитронных пар, то при частоте излучения в 160 ГГц смещение центров пар будет равно см или.

Тут нужно отметить, что существуют экспериментально зарегистрированные эффекты взаимодействия электрона с вакуумом, которые также могут быть объяснены на основе принятой здесь физической модели (Рис. 3).

Рис. 3

Известно, что движенине электрона в вакууме сопровождается его «дрожанием». Согласно приведенной в этой статье физической модели, очевидно, что, при движении электрона между пар электрон-позитрон, движущийся электрон притягивает позитрон и отталкивает электрон пары вызывая ее поляризацию, что однозначно должно вызывать волнообразное искажение его траектории и колебания пар электрон-позитрон, мимо которых он пролетает [3].

Кроме того, известный эффект - аномальный момент электрона - может быть также объяснен взаимодействием электрона с парой электрон-позитрон. Очевидно, что магнитные моменты электрона и позитрона в неполяризованной паре полностью скомпенсированы. Пролетающий рядом электрон поляризует пару у которой появляется нескомпенсированный магнитный момент за счет сдвига центров круговых токов. Кроме того, у пары может появиться вращательное движение (как у возбужденной молекулы). Это выглядит так, как будто у электрона изменился магнитный момент.

Кстати, объяснение этих физического механизма этих эффектов, приведенное в литературе - очень невнятное и сводится к некому влиянию нулевых колебаниий дираковского вакуума (основанного на неправильной физической модели) на движения находящегося там электрона.

2.4 Распостранение электромагнитной волны в электронно - позитронном газе

ток униполярный генератор физический

Таким образом, и ток смещения и упомянутые выше эффекты связаны с поляризацией пары - смещением центров электрона и позитрона относительно друг друга.

Ток вызванный смещением зарядов можно определить как , где - плотность зарядов [ед. СГСЭ/см3 ], V - скорость потока зарядов, F - пощадь, пересекаемая зарядами. Для плотности тока j выражение будет иметь вид .

Зависимость напряженности электрического поля от смещения зарядов (считая электроны и позитроны равномерно заряженными шарами) будет:

СГСЭ.

Следовательно .

Тогда плотность тока смещения будет равна:

СГСЭ, где - концентрация пар в см3.

Этот ток вызовет появление магнитного поля В. Таким образом, изменение напряженности электрического поля вызывает появление магнитного поля , так же, как и изменение напряженности магнитного поля вызывает появление электрического поля Е. Собственно, появление магнитного поля В за счет было предположено в свое время Максвеллом по аналогии с фарадеевой индукцией.

В данном случае очевидно, что это явление связано с реальным смещением зарядов. При этом, важно, что зависимость - линейная, что является следствием принятой физческой модели, описывающей возникновение тока смещения. Полученная зависимость качественно (с точностью до коэффициента) совпадает со второй формулой Максвелла .

Здесь надо отметить, что полученный результат, в принципе, логичен - он объясняет токи смещения и вторую формулу Максвелла, но, согласно изложенной физической модели, требуемая концентрация пар электрон-позитрон получается очень большая и, при этом, ток смещения зависит от концентрации. В этом случае, чтобы получить плотность тока смещения в один ампер/см2 при изменении напряженности необходимая концентрация пар составит и удельный вес этих пар составит 3 Кг/см3, что, вобщем-то, сомнительно.

Таким образом, можно с больщим основанием предположить, что электронно-позитронные пары (электронно-позитронный газ) и являютя той самой светоносной средой (эфиром), в которой и распостраняется электромагнитная волна.

Упрощенно, в предельном случае, процесс распостранения электромагнитной волны в электронно - позитронном газе можно проиллюстрировать на следующем примере, используя известные, экспериментально проверенные физические явления (см. Рис.4):

Рис. 4

Предположим, гамма квант достаточной энергии взаимодействует с совмещенной (аннигилированной) парой электрон - позитрон и физически «растаскивает» ее на некоторое расстояние (процесс, называемый «фоторождением»), но это расстояние недостаточно до их полного удаления друг от друга (). Через некоторое время задержки (связанное с инерционностью процесса, так как электрон и позитрон - это реальные частицы, имеющие массу) электрон и позитрон аннигилируют, испуская гамма квант (иногда два или три). Далее, этот рожденнный гамма квант взаимодействует с другой совмещенной парой, находящейся на его пути, «расталкивая» ее на такое же расстояние (как указовалось выше, процессы аннигиляция - фоторождение идут, практически, без потерь, без диссипации энергии). Затем, эта пара аннигилирует с испусканием гамма кванта, имеющего такую же энергию, как и исходный. И так далее... Получается, что исходный гамма квант распостраняется за счет переизлучения практически без потерь. Так как гамма квант есть квант электромагнитной волны, то указанный механизм позволяет передавать электромагнитную волну на расстояния, где «светоносной средой» (эфиром) являются совмещенные пары электрон - позитрон.

Если же энергия кванта электромагнитной волны намного меньше энергии аннигиляции (), то пара не «растаскивается», а становится поляризованной. Механизм такого распостранения электромагнитной волны подробно описан выше.

Похожие доводы относительно существования реальных токов смещения приведены в работах Рыкова [2], но там предположено, что смещаются заряды в жесткой кристаллической структуре вакуума.

Как расположены пары в вакууме, можно только предположить. Они могут быть в свободном состоянии (как молекулы в газе), или быть в связанном состоянии в узлах некого подобии кристаллической решетки, как в твердом теле. Вообще, согласно последним результатам изучения «темной материи» астрофизиками, она может концентрироваться как газ вокруг гравитирующего тела, образуя облака. Это значит, что, скорее всего, эти электронно-позитронные пары образуют что-то вроде газа, «гало темной материи». Тогда, выходит, что концентрация «темной материи» не однородна в пространстве и эта «материя» может концентрироваться вокруг массивного тела, в то время, как в других областях пространства плотность «темной материи» может быть ниже. Так как «темная материя» имеет свойство диэлектрика в котором распостраняется электромагнитная волна, то в пространстве должен возникнуть градиент плотности «темной материи», искривляющий направление движения электромагнитной волны.

Кроме того, в процессе переизлучения возможно очень малое поглощение «электронно-позитронным газом» излучения, выражающееся в остаточном колебании пар после прохождения электромагнитной волны. То есть энергия переизлученной волны несколько меньше, чем падающей и эта разница остается у пары, вызывая ее колебания. Таким образом, «электронно-позитронный газ» светится, что и проявляется как «реликтовое излучение», причем интенсивность свечения зависит от его плотности. В то же время, энергия электромагнитной волны падает с расстоянием, что принимается за «расширение Вселенной». Подобный механизм был предложен швейцарским астрономом Цвикки еще в 20-х годах 20-го века, но тогда победила весьма сомнительная гипотеза «Большого взрыва».

Вопрос, в какой же среде (что такое электрические и магнитные поля) совершают свои колебания электронно-позитронные пары - это отдельный вопрос, выходящий за рамки данной статьи. Но очевидно, что это совершенно другая, некая «тонкая структура», составляющая эфира, дискрет которой (если он существует) намного порядков меньше, чем размер электрона. Это то, что, по видимому, и является «темной энергией». Выходит, что, вакуум (эфир) состоит, как минимум, из двух составляющих, из которых первая, «светоносная», является вполне материальным электронно-позитронным «газом», а вторая «тонкая» состоит из совершенно неведомой субстанции - возможно, одной из основ мироздания - деформация которой создает электрическое (статическая деформация) и магнитное (динамическая деформация) поля. Например, доказано (на примере униполярного мотора) [4], что магнитное поле не движется вместе с носителем поля, например, с постоянным магнитом. То есть, очевидно, что поле не принадлежит магниту и что магнит только вносит искажения в некую среду, являющуюся носителем поля. Третье же поле, гравитационное, скорее всего (к сожалению!), не имеет отношения к электрическому и магнитному, так как никаких эффектов, связывающих эти поля до сих пор не было экспериментально зарегистрировано.

Заключение

Токи смещения возникают в проводящих и диэлектрических телах в нестационарном режиме, в частности, в униполярных генераторах, и при воздействии на эти тела пременного электрического поля.

Кроме того, можно предположить, что источником токов смещения в вакууме - диэлектрике (в так называемой «светоносной среде - эфире») являются электрон-позитронные пары - электронно-позитронный «газ». При этом, электрон - позитронные пары могут выводится из равновесия (поляризоваться) приложенным электрическим полем, в частности, электрической составляющей электромагнитного излучения, вызвывая переизлучение электромагнитной волны.

Литература

1. Теория / Магнетизм и электромагнетизм / 4.5. Закон полного тока. Ток смещения, http://www.toehelp.ru/theory/fizika1/4_5.html.

2. http://www.laboratory.ru/articl/hypo/ax183.htm.

3. Б. М. Яворский, А.А. Детлаф «Справочник по физике», Наука, 1964.

4. Г. Ивченков, «Специфика силового и индукционного взаимодействия постоянных магнитов с проводниками, токами и зарядами. Эквивалентные схемы постоянных магнитов. Униполярные и тангенциальные электромашины. Законы электромагнетизма. Физическая природа магнитного поля.», http://new-idea.kulichki.com/?mode=physics&pn=22.

Размещено на Allbest.ru