4092

Физические основы современных представлений в теории электромагнитного поля

Научная статья

Физика

Физические основы современных представлений в теории электромагнитного поля Рассматриваются базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, основанные на концепции «корпускулярно-полевого дуализма» характеристик микрочаст...

Русский

2012-11-13

348 KB

11 чел.

Физические основы современных представлений в теории электромагнитного поля

Рассматриваются базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, основанные на концепции «корпускулярно-полевого дуализма» характеристик микрочастицы, где ее электрическому заряду соответствует полевой эквивалент в виде электрического векторного потенциала, а ее удельному (на единицу заряда) собственному моменту отвечает поле магнитного векторного потенциала.

Полевая концепция природы электричества является фундаментальной базой классической электродинамики и основана на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Физические свойства таких полей взаимодействия математически описываются системой функционально связанных между собой уравнений в частных производных первого порядка, называемых электродинамическими уравнениями Максвелла [1, 2]. В структуре этих уравнений, описывающих поведение электромагнитного поля в неподвижной среде, заложена основная аксиома классической электродинамики - неразрывное единство переменных во времени электрического и магнитного полей. В современной форме [1] такая система дифференциальных уравнений имеет следующий вид:

             (a)  ,                   (б)  ,                           (1)

             (в)  ,             (г)  .       

Здесь соответственно поля: векторов электрической  и магнитной  напряженности, электрической  и магнитной  индукции, плотности электрического тока ; абсолютные  и  - электрическая и магнитная проницаемости,  - удельная электрическая проводимость материальной среды, а  - объемная плотность стороннего электрического заряда.

Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла является тот факт, что  и  компоненты электромагнитного поля распространяются в пространстве в виде волн. Например, из (1а) и (1в) сравнительно просто получить волновое уравнение для поля электрической напряженности :

.              (2)

Аналогично получается и уравнение волн поля магнитной напряженности , структурно тождественное уравнению (2). Видно, что скорость распространения этих волн определяется только лишь электрическими и магнитными параметрами пространства материальной среды: ,  и . В частности, в отсутствие поглощения () их скорость распространения , а колебания, согласно структуре уравнений (1),  и  компонент волн синфазны.

С целью ответа на вопрос, что переносят эти волны, воспользуемся уравнениями Максвелла (1), являющимися, в сущности, первичными уравнениями электромагнитной волны, откуда на основе уравнений (1а) и (1в) получаем закон сохранения энергии в форме, так называемой теоремы Пойнтинга:

.                           (3)

Видно, что поступающий извне в данную точку среды поток электромагнитной энергии за единицу времени (мощности), определяемый вектором Пойнтинга , идет на компенсацию джоулевых (тепловых) потерь в процессе электропроводности и изменение электрической и магнитной энергий, либо наоборот (3) - эти физические процессы вызывают излучение наружу потока электромагнитной мощности. При этом совокупное наличие в пространстве взаимосвязанных  и  полей вызывает отклик материальной среды в виде поля объемной плотности электромагнитного импульса: . Экспериментальное открытие импульса электромагнитного поля (давление света) [3] принадлежит русскому физику П.Н. Лебедеву (1899г.).

К сожалению, приходится констатировать, что, несмотря на серьезную методическую модернизацию исходных максвелловских уравнений Герцем, Хевисайдом и Эйнштеном и грандиозные успехи внедрения достижений электромагнетизма во многих областях жизни современного человеческого общества, общепринятая на сегодня теория электромагнитного поля и поныне базируется только лишь на представлениях 19 века о физических свойствах электрического заряда материальных тел. Таким образом, со времен Максвелла классическая электродинамика находится в концептуальном застое. Для аргументированной иллюстрации данного факта здесь нам вполне достаточно двух первичных фундаментальных соотношений электромагнетизма - закона Кулона силы взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов

                                                                                     (4)

и закона сохранения электрического заряда [1]

                     ,                                                                    (5)

чтобы цепочкой последовательных физико-математических рассуждений построить традиционную систему (1) уравнений электродинамики Максвелла.

Фундаментальность закона Кулона (4) состоит в том, что его посредством описывается силовое взаимодействие разнесенных в пространстве неподвижных электрически заряженных материальных тел, где для изучения следствий такого взаимодействия вводят понятие электрического поля в виде напряженности – силы Кулона на единицу заряда: , где  - пробный точечный заряд. Топология структуры электрического поля точечного заряда  такова, что интеграл от этой функции по сфере любого радиуса константен: , а при использовании понятия телесного угла несложно убедиться: поток вектора поля электрической индукции (смещения)  через произвольную замкнутую поверхность S тождественно равен суммарному стороннему электрическому заряду  в объеме  внутри этой поверхности, причем на самой указанной поверхности индуцируется поляризационный электрический заряд , такой, что:

                 .

Эти рассуждения описывают результат электрической поляризации, а электростатической теоремой Гаусса их называют по той причине, что она тождественно устанавливает: . Правда, обычно в физические подробности процесса поляризации не вникают, а потому о поляризационном заряде  просто не говорят. Здесь первые два интеграла это определение вектора  - численно равного поверхностной плотности поляризационного заряда  на пробной площадке, ориентация которой такова, что  на ней максимальна, при этом нормаль  к поверхности площадки коллинеарна вектору . В системе электродинамических дифференциальных уравнений (1) теорема Гаусса представлена (см. теорему Гаусса-Остроградского) соотношением (1б), описывающим результат электрической поляризации материальной среды, где в случае ее электронейтральности () оно имеет вид .

Воспользуемся теперь другим первичным фундаментальным законом электромагнетизма - законом сохранения электрического заряда (5), структурно представляющим собой уравнение непрерывности. Закон гласит: изменение во времени заряда  в данной точке пространства единственно возможно лишь за счет транспорта зарядов извне , ведь по определению (теорема Гаусса-Остроградского) дивергенция - это объемная плотность потока векторного поля в данной точке. Тогда подстановка в (5) уравнения (1б) дает формулу . И с учетом того, что для любого векторного поля , получаем еще одно уравнение обсуждаемой системы:  (1в). Это уравнение называют законом полного тока: электрические токи проводимости и смещения порождают вихревое магнитное поле, силовые линии векторов напряженности  которого охватывают линии этих токов.

Итак, в области существования движущихся зарядов и переменных во времени электрических полей , то есть в уравнении (1в) функция  является вихревой, а потому для математического уточнения данной топологии магнитного поля введем соотношение калибровки . Тем самым получим следующее уравнение системы (1) – уравнение (1г). Поскольку дивергенция - объемная плотность потока векторного поля в данной точке, то уравнение  способно описать не только вихревые свойства функции , но и ее потенциальную версию, случай когда . Таким образом, соотношение (1г) математически представляет физический результат магнитной поляризации материальной среды.

Наконец, частным дифференцированием по времени  уравнения (1г) получаем на основе  адекватное с учетом знака закону электромагнитной индукции Фарадея уравнение (1а), последнее в системе (1). Итак, изменяющееся во времени поле магнитной индукции порождает в данной точке пространства вихревое электрическое поле. Ввиду того, что в уравнении (1a) , то функция поля  является вихревой, и эту топологию способно уточнить, согласно вышесказанному о дивергенции, уже полученное нами ранее уравнение (1б) в виде . Как видим, дивергентные уравнения (1б) и (1г) как математически, так и физически весьма содержательны. И это только то, что лежит на поверхности.

Кстати, с методической точки зрения поучительно указать, что подобный подход, а именно использование фундаментальных базовых соотношений физики, позволяет получить и основное уравнение корпускулярно-волнового дуализма квантовой механики – так называемое уравнение Шрёдингера. Известно [2], что представления указанного дуализма основаны на введенной Планком энергии фотона  и длины волны де-Бройля  движущейся микрочастицы:

              а)  ,                   б)  ,                                        (6)

где - модифицированная постоянная Планка,  - частота фотона,   - механический импульс частицы.

Расширяя понятие энергии  фотона как некой частицы на произвольную материальную микрочастицу, попытаемся сопоставить выражения для плоской скалярной монохроматической волны в комплексной экспоненциальной форме с законом сохранения механической энергии:

            а)  ,            б)  .                           (7)

Сопоставляя (7а) с (6), имеем:  и . И в итоге получаем выражение волновой функции , содержащей в себе основные представления корпускулярно-волнового дуализма Материи.

А теперь подставим полученную волновую функцию в закон сохранения энергии (7б), и цепочкой логически последовательных рассуждений:

                                ;

             

построить предварительное дифференциальное соотношение

                       .                             

В итоге, окончательно  получаем основное уравнение квантовой механики  пространственно-временное (волновое) уравнение Шрёдингера [2]:

                            ,                                                (8)

физически представляющее собой запись закона сохранения механической энергии микрочастицы, записанного в волновой форме.

Далее можно получить стационарное уравнение Шрёдингера, используя подстановку в (8) волновой функции в виде :

                       .                                                   (8*)

Итак, как и должно быть, в настоящей физике все относительно просто и понятийно ясно, надо только размышлять над получаемой информацией и анализировать ее. Как говорили в Китае за II тысячелетия до нашей эры: «Знания без размышлений бесполезны, а размышления без знаний опасны!».

А мы опять возвратимся к обсуждению уравнений Максвелла, где следует отметить весьма ограниченный диапазон явных возможностей уравнений Максвелла при описании ряда известных в настоящее время явлений электромагнетизма. В частности, уравнения (1) не могут вскрыть и адекватно описать физическую суть магнитных явлений, поскольку истинный магнетизм – это спиновый магнетизм [2]. Например, они в принципе не способны объяснить эффект Эйнштейна-де Гааза [1, 2], когда в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно подмагничивающему полю магнитной индукции . Так же далеко не ясен вопрос о существовании и физической реализации момента импульса электромагнитного поля, соответственно, переносящих его волн.

Здесь как бы существует парадокс, где с одной стороны, теория Максвелла предсказывает равенство нулю момента импульса плоской электромагнитной волны, а, с другой, физически понятно, что электромагнитное излучение – это излучение возбужденными атомами избытка энергии в виде фотонов, которые будут забирать от атома не только часть энергии, но и уносить долю внутреннего углового момента атома. Следовательно, распространяющееся в виде волн электромагнитное поле должно обладать вполне определенной величиной момента импульса, что, кстати, наблюдалось в экспериментах [4, 5].

Таким образом, главный и принципиальный дефект традиционной классической электродинамики в том, что в ее представлениях об электрическом заряде и его поле нет понятия о спине (собственном моменте импульса). Ссылки на ныне существующую квантовую электродинамику [2] неуместны, поскольку это отдельная самостоятельная наука, по сути несвязанная с классической теорией. Правда, известны попытки введения в электродинамику так называемого классического спина [6], но и они оказались неконструктивными.

Попытаемся исправить сложившуюся ситуацию, поскольку если взглянуть глубже, то те же дивергентные уравнения (1б) и (1г) содержат сведения о полях электрического  и магнитного  векторных потенциалов, физический смысл которых, несмотря на определенный прогресс в установлении их физической значимости [7, 8], и по сей день концептуально не понят, а потому в теории электромагнетизма эти не наблюдаемые напрямую поля остаются в должной мере не принятыми и, в сущности, не используемыми. Итак, разберемся в этом вопросе, для чего воспользуемся обсуждаемой здесь системой уравнений (1).

Представления о векторных потенциалах определяются очевидным положением о том, что дивергенция ротора любого векторного поля тождественно равна нулю: . Поэтому магнитную компоненту векторного потенциала  можно ввести посредством соотношения  системы уравнений (1), описывающим магнитную поляризацию (намагниченность) материальной среды, а электрическую компоненту  - соотношением , описывающим поляризацию локально электронейтральной () среды:

                 (а)  ,        (б)  .                           (9)

Таким образом, с точки зрения физического смысла векторные электромагнитные потенциалы непосредственно связаны с электрической и магнитной поляризациями, а потому их можно называть поляризационными потенциалами.

Тогда подстановка соотношения для магнитного векторного потенциала (9a) в уравнение вихря электрической напряженности (1а) приводит к известной формуле связи поля вектора указанной напряженности с магнитным векторным потенциалом [1]:

                                      ,                                                            (10)       

описывающей закон электромагнитной индукции Фарадея. Здесь электрический скалярный потенциал: принципиально не рассматривается, как не имеющий отношения к обсуждаемым в работе вихревым полям.

При аналогичной подстановке соотношения для электрического векторного потенциала (9б) в уравнение вихря магнитной напряженности (1в) с учетом закона Ома  получаем в итоге связь этой напряженности с указанным векторным потенциалом:                                                            

                                  .                                                     (11)  

Здесь  - постоянная времени релаксации электрического заряда в среде за счет ее электропроводности.

Однозначность функций векторных потенциалов, то есть чисто вихревой характер таких полей обеспечивается условием кулоновской калибровки:

            (а)   ,          (б)  ,                             (12)

где абсолютные электрическая  и магнитная  проницаемости, согласно соотношениям (10) и (11), соответствуют в формулах (12) конкретным компонентам векторного потенциала.

Как видим, векторные потенциалы принципиально сопровождают явления электрической и магнитной поляризаций материальной среды, причем, согласно (9), пары векторов  и ,  и  - взаимно ортогональны; соответственно, согласно (10) и (11), другие векторные пары  и ,  и  - взаимно коллиненарны. Покажем, что векторные потенциалы – это не математические фикции, а физически значимые фундаментальные поля, порождающие (см. соотношения (10) и (11)) традиционные вихревые электромагнитные поля.

Так как взаимодействие электрических зарядов реализуются посредством электрических  и магнитных  полей, то физически логично предположить, что порождающие такие поля векторные потенциалы  и  как физические величины есть первичные полевые характеристики самого электрического заряда и как вторая сторона медали есть его прямой полевой эквивалент. Для обоснования правомерности такого предположения рассмотрим конкретные аргументы, позволяющие разрешить проблему физического смысла  компонент векторных потенциалов  и , обсуждаемую для магнитного векторного потенциала еще Максвеллом при анализе своих электродинамических построений ([9] п. 590). Согласно точке зрения Максвелла, вектор  “может быть признан фундаментальной величиной в теории электромагнетизма” [7].

Как известно, физические представления об электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная частица характеризуется не только значением заряда q, кратного заряду электрона , но и спином s, трактуемым как собственный момент количества движения частицы. Величина этого момента квантована значением , где - модифицированная постоянная Планка. То есть микрочастица принципиально обладает в неразрывной связи электрическим зарядом  и собственным магнитным моментом, кратным собственному (спиновому) магнитному моменту электрона - магнетону Бора [2]: в системе физических единиц СИ .

В соответствии с нашим предположением, сопоставим локальные характеристики микрочастицы и некое ее собственное первичное электромагнитное поле. Конкретно для электрона электрическая компонента этого поля соответствует заряду  - кванту электрического потока, а магнитная компонента - удельному (на единицу заряда) моменту , определяющему, как известно [2], квант магнитного потока. Наша задача показать, что введенное здесь гипотетически собственное поле микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) является именно полем векторных потенциалов.

Итак, вначале рассмотрим электрический векторный потенциал . Для этого соотношение (9б) связи электрических векторов индукции и векторного потенциала для большей наглядности и математической общности представим в интегральной форме:

                   .                  (13)

Эти интегральные соотношения устанавливают физически содержательное положение о том, что величина циркуляции вектора  по замкнутому контуру С определяется потоком вектора электрического смещения  через поверхность SC , опирающуюся на этот контур , соответственно, поляризационным электрическим зарядом , индуцированным на этой поверхности. Отсюда снова следует определение поля вектора электрического смещения , численно равного плотности заряда   на пробной площадке, ориентация которой в данной точке создает на ней максимальное значение этого заряда: , а нормаль к площадке  с учетом правила правовинтового обхода контура С указывает направление вектора . Определение  как потокового вектора показывает его принципиальное отличие от линейного (циркуляционного) вектора напряженности , являющегося силовой характеристикой электрического поля. Физически, поле потокового вектора  электрического смещения (индукции) есть отклик среды на воздействие силового вектора  электрической напряженности.

Продолжая анализ соотношений (13), видим, что, согласно этим соотношениям связи векторных полей  и , электрическому заряду  отвечает его полевой эквивалент - поле электрического векторного потенциала , размерность которого - линейная плотность электрического заряда. В итоге, с целью реализации конечного результата наших рассуждений введем понятие первой фундаментальной корпускулярно-полевой пары  с единицами измерения в системе физических единиц СИ  КулонКулон/метр.

Эти корпускулярно-полевые представления аргументированно подтверждаются также и непосредственным следствием в виде соотношения (11) связи электрического векторного потенциала  и магнитной напряженности  с единицей измерения Ампер/метр, представляющего собой полевой эквивалент полного электрического тока: токов проводимости и смещения , величина (сила тока) которого имеет единицу измерения  Ампер.

Перейдем теперь к магнитному векторному потенциалу . Поскольку вектор электрической напряженности  измеряется в СИ Вольт/метр, либо формально математически (но не физически) тождественно Ньютон/Кулон, то, согласно соотношению (10) связи магнитного векторного потенциала  с вектором , единица измерения вектора  будет (Ньютон·сек)/Кулон, то есть имеет размерность импульс на единицу заряда. Данная размерность магнитной компоненты векторного потенциала  в настоящее время считается общепринятой и вполне очевидной, поскольку совместно со скалярным электрическим потенциалом  весьма заманчиво представить полевой аналог четырехвектора «энергии-импульса», так в виде называемого 4х – потенциала.

Следовательно, соотношение (10) можно, казалось бы, назвать полевым аналогом уравнения динамики поступательного движения в механике (II закон Ньютона). Действительно, указанную размерность магнитного векторного потенциала, другими словами, его физический смысл находят (например, в работе [7]) при анализе действия вихревого поля вектора  на точечный электрический заряд посредством именно II закона Ньютона, обычного механического. Однако, по нашему мнению, обобщать выводы, полученные в рамках уравнения динамики поступательного движения для точечного заряда на случай макрообъекта (совокупности точечных зарядов), находящегося в вихревых полях: с физической точки зрения, мягко говоря, весьма сомнительно.

Для прояснения сложившейся ситуации рассмотрим далее соотношение (9а), которое представим в интегральной форме:

                           .                                               (14)

Видно, что величина циркуляции вектора  по контуру С определяется магнитным потоком  через поверхность SC и имеет единицу измерения в системе СИ Вебер = (Джоуль∙секунда)/Кулон, что соответствует модулю момента импульса на единицу электрического заряда. При этом, согласно (14), размерность магнитного векторного потенциала  может быть двоякой: либо указанная выше общепринятая импульс на единицу заряда, либо ей альтернативная линейная плотность момента импульса на единицу заряда. Конечно, с формальной точки зрения обе размерности вектора , выраженные через единицы измерения, математически тождественны, но физически это принципиально различные величины.

Целесообразно отметить, что сам Максвелл призывал ответственно относиться к математическим операциям над векторами электромагнитного поля и физической трактовке таковых. Вот его слова: “В науке об электричестве электродвижущая и магнитная напряженности принадлежат к величинам первого класса – они определены относительно линии. … Напротив, электрическая и магнитная индукция, а также электрические токи принадлежат к величинам второго класса – они определены относительно площади.” ([9] п. 12). И далее конкретно: “В случае напряженности следует брать интеграл вдоль линии от произведения элемента длины этой линии на составляющую напряженности вдоль этого элемента. … В случае потоков следует брать интеграл по поверхности от потока через каждый ее элементов.” ([9] п. 14).

Не преувеличивая, трактат Максвелла [9] можно назвать «Библией электромагнетизма» и физическими основами математического анализа, однако даже в учебной литературе повсеместно встречаются физически бессмысленные математические выражения “div” и “rot”. Такое формальное использование математики создает путаницу понятий и попросту мешает действительно разобраться в физическом содержании соотношений электродинамики. Это усугубляется и абсолютной системой единиц СГС, когда безразмерные коэффициенты 0  = 1 и  0  = 1 делают векторы  и ,  и  физически тождественными, где Эрстед и Гаусс равны в пустоте, а в средах различаются только численно.

Итак, согласно Максвеллу, в электродинамике линейные (циркуляционные) векторы  и  имеют размерность линейной плотности физической величины, а потоковые векторы ,  и  – ее поверхностной плотности. В частности, размерность вектора магнитной индукции  равна поверхностной плотности момента импульса на единицу заряда, в системе СИ - Тесла. Экспериментально это наглядно иллюстрируется эффектом Эйнштейна-де Гааза, где в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно полю, обусловленный упорядочением собственных магнитных моментов, соответственно, моментов импульса электронов в атомах вещества среды. Следовательно, поле вектора  - это поле момента импульса среды, порождающее ее вращение. Поэтому в соотношении (6а) размерностью вихревого поля магнитного векторного потенциала  является линейная плотность момента импульса на единицу заряда.

В итоге, согласно формулам (14), локальной характеристике микрочастицы - моменту импульса на единицу заряда сопоставляется его полевой эквивалент - магнитный векторный потенциал  с размерностью линейной плотности момента импульса на единицу заряда, что дает вторую фундаментальную корпускулярно-полевую пару: для электрона -  с единицами измерения (Джоуль∙секунда)/Кулон(Джоуль∙секунда)/(Кулон∙метр).

Вернемся к соотношению (10) связи вектора  с вектором . Как теперь показано, размерность вихревого поля вектора электрической напряженности  однозначно равна линейной плотности момента силы на единицу заряда с единицей измерения в СИ (Ньютон∙метр)/(Кулон∙метр), что естественно нисколько не опровергает традиционную единицу измерения этой величины Вольт/метр, а лишь уточняет ее физический смысл. Таким образом, в действительности соотношение (10) является полевым аналогом основного уравнения динамики вращательного движения твердого тела, что логически соответствует рассмотренным выше корпускулярно-полевым представлениям.

Подводя предварительный итог, приходим к заключению, что установленная здесь принципиальная двойственность физических параметров электрического заряда говорит о реальном существовании фундаментального «корпускулярно-полевого дуализма» природы электричества, кстати, схожего по названию с «корпускулярно-волновым дуализмом» в квантовой механике. Формально и здесь и там имеем неразрывную взаимосвязь материи с ее пространственно-временным собственным полем. Однако их сущностные различия принципиальны: корпускулярно-полевой дуализм реализуется на микро- и макроуровнях строения Материи и основан на объективном единстве частицы материи и ее собственного первичного векторного поля в реальном пространстве физического вакуума, что в свою очередь неразрывно связано с реально наблюдаемым обычным традиционным электромагнитным полем, а в концепции корпускулярно-волнового дуализма микрочастица представляется некой скалярной волной вероятности в абсолютно пустом, абстрактном пространстве.  

Говоря более конкретно, фундаментальность корпускулярно-полевого дуализма Материи обусловлена тем, что как две стороны одной медали локальные характеристики микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) находятся в неразрывной связи с ее собственными полевыми параметрами. Электрическому заряду , кратному кванту электрического потока - заряду электрона |e-|, соответствует электрический векторный потенциал , а удельному (на единицу заряда) моменту, кратному кванту магнитного потока , отвечает магнитный векторный потенциал , при этом ориентации векторов полей  и  взаимно ортогональны. В итоге приходим к выводу, что электромагнитные вектор-потенциалы – это истинные поля частиц микромира, а не их весьма спорная, почти мифическая волновая функция плотности вероятности .

Знаменательно здесь то, что указанные электромагнитные векторные потенциалы - собственные поля частиц Материи, являющиеся полевыми эквивалентами их корпускулярных (локальных) характеристик непосредственно следуют из уравнений классической электродинамики (1), первоначальная версия которых появилась еще во второй половине 19 века обобщением Дж.К. Максвеллом [9] эмпирических фактов того времени в этой области знания.

Итак, мы видим, что векторные потенциалы – это полноправные физически значимые поля, и учет этого обстоятельства должно нам позволить углубить и кардинально модернизировать концептуальные основы классической электродинамики, где, в частности, необходимо ожидать, что обсуждаемая здесь система уравнений Максвелла будет лишь рядовым частным следствием.

Покажем конкретно, какую же роль играют векторные потенциалы в электромагнитных процессах и явлениях? Очевидно, здесь четко прослеживается реальная возможность обратить проведенные выше рассуждения вспять, поскольку из обсуждаемой концепции «корпускулярно-полевого дуализма» физических характеристик микрочастицы необходимо следуют электродинамические уравнения современной теории электромагнитного поля на базе системы соотношений первичной взаимосвязи ЭМ поля с компонентами электрической  и магнитной  напряженности и ЭМ векторного потенциала с электрической  и магнитной  компонентами:

          (а)  ,             (б)  ,                        

          (в)  ,            (г)  ,                           (15)

          (д)  ,                  (е) .                

Объединение соотношений (9) – (12) в систему взаимосвязанных уравнений (15) представляется весьма конструктивным, поскольку в этом случае возникает система дифференциальных уравнений, описывающих значительно более сложное и необычное с точки зрения общепринятых воззрений вихревое векторное поле, состоящее из совокупности функционально связанных между собой четырех вихревогполевых компонент. Конкретно оно состоит из реально наблюдаемых в эксперименте полей векторов электрической  и магнитной  напряженностей - поля электромагнитного силового взаимодействия частиц Материи и ненаблюдаемых напрямую полей электрического  и магнитного  векторных потенциалов - собственного электромагнитного поля частиц Материи, полевого эквивалента их локальных характеристик: заряда и спина, которые также напрямую ненаблюдаемы, а лишь опосредовано изучением их полей взаимодействия. Такое четырехкомпонентное векторное поле физически логично назвать реальным электромагнитным полем.

Объективность существования указанного четырехкомпонентного вихревого поля иллюстрируется нетривиальными следствиями из полученных выше соотношений, поскольку подстановки (15д) в (15в) и (15е) в (15a) приводят к системе новых электродинамических уравнений, структурно аналогичной системе традиционных уравнений Максвелла (1), но уже для поля ЭМ векторного потенциала с электрической  и магнитной  компонентами:

       (a)  ,                  (б)  ,                  (16)                            

       (в)  ,          (г)  .    

Чисто вихревой характер компонент поля векторного потенциала обеспечивается условием калибровки - дивергентными уравнениями (16б) и (16г).

Соответственно, аналогичные математические операции с соотношениями (15) позволяют получить еще две других системы уравнений [7]:

для электрического поля с компонентами  и

       (a)  ,      (б)  ,                  (17)                                                       

       (в)  ,                          (г)                                    

и для магнитного поля с компонентами  и :

       (a)  ,       (б)  ,                  (18)          

       (в)  ,                          (г)  .    

Таким образом, уравнения системы (15) первичной взаимосвязи компонент ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала, безусловно, фундаментальны. Кстати, если считать соотношения (15) исходными, то из них подобным образом [8] следуют и уравнения системы (1), справедливые для локально электронейтральных сред (). Существенно здесь и также то, что в системах (1), (16) - (18) их дивергентные уравнения представляют собой начальные условия в математической задаче Коши для соответствующих роторных уравнений, что делает эти системы уравнений замкнутыми.

Далее, как и следовало ожидать, из всех этих систем электродинамических уравнений непосредственно можно получить волновые уравнения для соответствующих полевых компонент (полностью аналогично выводу уравнения (2)) и соотношения баланса (аналогично выводу формулы (3)):

для потока момента ЭМ импульса из уравнений (16)

       ,                       (19)

для потока электрической энергии из уравнений (17)

                             (20)

и для потока магнитной  энергии из уравнений (18)

       .                     (21)

Эти соотношения еще раз подтверждают и аргументированно доказывают, что, наряду с электромагнитным полем с парой векторных компонент  и , в Природе существуют и другие поля: поле электромагнитного векторного потенциала с компонентами  и , электрическое поле с компонентами  и , магнитное поле с  и . Именно структура конкретного электродинамического поля из двух векторных взаимно ортогональных полевых компонент реализует способ его объективного существования, делает принципиально возможным его перемещение в пространстве в виде потока соответствующей физической величины. В реальности же все эти потоки распространяются в пространстве посредством лишь только одной «традиционной» плоской волны с взаимно ортогональными полевыми компонентами попарно коллинеарных векторов (, ) и (, ), совокупно переносящих в пространстве [8] (см. соотношения баланса) электрическую (20) и магнитную (21) энергии, электромагнитные импульс (3) и его момент (19). Важно отметить, что, в отличие от уравнений (1), представленные здесь соотношения (16) – (21) способны физически адекватно описать и статические процессы электромагнетизма.

Итак, в окончательном итоге, полученная в наших рассуждениях система взаимосвязанных векторных уравнений (15) позволила нам углубленно, физически преемственно и последовательно сформулировать по-новому концептуальные основы современной теории электромагнитного поля, состоящего из функционально связанных между собой четырех вихров полевых компонент. Реально наблюдаемых в эксперименте полей векторов электрической  и магнитной  напряженностей - поля электромагнитного силового взаимодействия частиц Материи и напрямую ненаблюдаемых полей электрического  и магнитного  векторных потенциалов - собственного электромагнитного поля частиц Материи, полевого эквивалента их локальных характеристик.

Указанное четырехкомпонентное векторное поле можно называть реальным электромагнитным полем (либо просто электромагнитным полем), главной особенностью которого является фундаментальная связь электромагнитных классических полей с их векторными потенциалами - истинными полями частиц микромира, Таким образом, теперь не только экспериментально, но и теоретически аргументированно установлено, что потоки электромагнитного импульса и его момента, электрическую и магнитную энергии совокупно переносит в пространстве обычная традиционная электромагнитная волна, с уточненной [8] полевой структурой.  

Литература

1.   Матвеев А.Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1980.

2.   Физический энциклопедический словарь. М.: СЭ, 1983.

3.   Lebedew P.N. // Annalen der Physik. 1901. fasc. 4. Bd 6. S. 433-458.

4.   Beth R.A. // Phys. Rev. 1935. V. 48. p. 471; 1936. V. 50. p. 115.

5.   Вульфсон К.С. // УФН. 1987. Том 152. Вып. 4. С. 667-674.

6.   Храпко Р.И. // Вестник РУДН. Сер. «Физика». 2002. № 10(1). С. 40-48.

7.  Антонов Л.И., Миронова Г.А., Лукашёва Е.В., Чистякова Н.И. Векторный магнитный потенциал в курсе общей физики / Препринт № 11. М.: Изд-во Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 1998.

8.  Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37; // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. № 11. С. 75-82; // Материалы X Международной конференции «Физика в системе современного образования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2009. Том 1. Секция 1. “Профессиональное физическое образование”. С. 114-117; // Необратимые процессы в природе и технике: Сборник научных трудов. Вып. 3. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 56-83.

9.  Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах. М.: Наука, 1989.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6534. Водное занятие. Понятие о здоровье в целом. Факторы риска основных хронических неинфекционных заболеваний 75.19 KB
  Тема Водное занятие. Понятие о здоровье в целом. Факторы риска основных хронических неинфекционных заболеваний Форма организации учебного процесса - практическое занятие. Значение темы. Здоровье населения и каждого человека в отдельности...
6535. Кримінальне процесуальне законодавство України та сфера його дії 185 KB
  Кримінальне процесуальне законодавство України та сфера його дії Загальна частина Теоретичний матеріал Поняття і сутність кримінального процесу України. Історичні форми кримінального процесу. Стадії кримінальної процесуальної діяльності. Порядок кри...
6536. Связь ACCESS С WORD И EXCEL. Создание писем, конвертов и наклеек 102.5 KB
  Связь ACCESS С WORD И EXCEL. Создание писем, конвертов и наклеек Предполагаем освоение следующих вопросов: Взаимодействие базы данных Access с текстовым процессором Word: создание писем, почтовых конвертов и наклеек посредством слияния базы да...
6537. Первая помощь при отравлениях АОХВ и синтетическими ядами 352.5 KB
  Первая помощь при отравлениях АОХВ и синтетическими ядами. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: ОТРАВЛЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОТРАВЛЕНИЙ. ОБЩИЙ АЛГОРИТМ ДЕЙСТВИЯ ПРИ ОТРАВЛЕНИИ. ОТРАВЛЕНИЕ ЯДОВИТЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ, ПОПАВШИМИ В ОРГАНИЗМ ЧЕРЕЗ КОЖНЫЕ ПОКРОВЫ. ОТРАВЛЕНИЕ...
6538. Предмет і задачі біохімії. Ферменти: хімічна природа, структура і фізико-хімічні властивості 45 KB
  Предмет і задачі біохімії. Ферменти: хімічна природа, структура і фізико-хімічні властивості Актуальність теми: Біологічна хімія - фундаментальна біомедична наука, яка вивчає хімічний склад живих організмів, хімічні перетворення, що лежать в...
6539. Генетика популяций, задачи с решением 405.5 KB
  Генетика популяций Решение типовых задач Задача В южноамериканских джунглях живет популяция аборигенов численностью 127 человек (включая детей). Частота группы крови М составляет здесь 64%. Можно ли вычислить частоты группы крови N и MN в этой по...
6540. Генетика: сборник задач с решениями 660 KB
  Закономерности менделевского наследования признаков В данной работе так же представлены задачи по генетике с решением для студентов и всех интересующихся подобными задачами/ Объектом исследования Менделя был горох посевной – Pisum sativum. Выбор объекта был чрезвычайно удачным
6541. Анализирующее (возвратное) скрещивание. Сцепленное с полом наследование 95 KB
  Анализирующее (возвратное) скрещивание. Сцепленное с полом наследование Задачи на анализирующее (возвратное) скрещивание Анализирующим, или возвратным, называется скрещивание гибридной особи с особью гомозиготной по рецессивным аллелям. Задача №1....
6542. Порівняльна характеристика зарубіжних моделей управління організацією та обґрунтування доцільності використання їх елементів в практиці вітчизняного менеджменту 305 KB
  Менеджмент як діяльність зародився у США в останній чверті 19 ст. Мільйони емігрантів з Європи створили величезний ринок робочої сили, на якому працелюбна людина могла досягти значного успіху. Уряд США матеріально підтримував здобуття освіти, ...