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».