Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника;

Физика / 1. Теоретическая физика; УДК 537.1.: 621.3.

Казаков О.В., Казаков В.В.

ООО «Волга Трансфо», Россия

Совместное использование методов индивидуального и макроскопического рассмотрения взаимодействия движущихся электрически заряженных частиц

При создании и исследовании современных электромагнитных устройств часто наблюдаются явления, не объяснимые классической макроскопической теорией электромагнетизма. Например, необъяснимы: взаимодействие изолированных параллельных ферромагнитных слоев с непересекающимися и не сливающимися магнитными потоками, взаимодействие движущихся одинаково постоянного магнита и обмотки, ферромагнитность неферромагнитного материала в электрическом поле, плоская диаграмма направленности и сверхвысокая дальность простейших спин-поляризованных антенн радиосвязи. Для решения этих задач стал необходим новый фундаментальный научный инструмент, поэтому нами рассмотрены свойства вакуума как среды и использованы рассматриваемые методы индивидуального и макроскопического рассмотрения взаимодействия электрически заряженных частиц посредством вакуума, в котором эти частицы вызывают радиальную и параллельную (круговую) поляризации.

Ключевые слова: электрические деформации и поляризации вакуума, взаимодействие электрических токов и заряженных частиц, уравнения Максвелла, свойства вакуума, диполи движения.

At creation and research of modern electromagnetic devices are often observed the phenomena, which are not explainable by the classical macroscopical theory of electromagnetism. For example, are inexplicable: an interaction between the isolated parallel ferromagnetic layers with a not crossed or not merging magnetic flows, an interaction between the permanent magnet and winding which moving equally together, a ferromagnetism of a not ferromagnetic materials in the electrical field, the flat diagram of the radiation and the ultra-range of a spin-polarized simple aerials which are used in a modern mobile radio communication. The new fundamental scientific tool became necessary for the decision of these problems, therefore we consider properties of the vacuum as medium and use a methods of the individual and macroscopical consideration of the interaction between the electrically charged particles by means of vacuum in which these particles cause the radial and parallel (circular) polarizations.

Keywords: electric deformations and polarization of vacuum, interaction between electric currents, interaction between charged particles, Maxwell's equations, properties of the vacuum, dipoles of movement.

В традиционной теории электромагнетизма поле трактуется как отдельный вид материи, инвариантно переносимый вместе с взаимодействующими объектами в любую инерциальную систему отсчета. Поле, как вид материи, запасает в себе энергию и является средством взаимодействия различных объектов. При этом часто вместе с применением принципа неопределенности поле понимается как продолжение или способ существования элементарных частиц. Математика же дает общую трактовку поля как часть пространства, в котором существуют выделенные направления напряженностей или давлений различной природы, потоков, скоростей или сил, действующих на объекты в этой части пространства. Это поля напряженностей, давлений, энергий, скоростей и сил. Обе эти трактовки дают неполное представление о способе взаимодействия объектов в среде и ее свойствах, в том числе о происхождении сил взаимодействия электрически заряженных частиц и электрических токов, хотя математическое определение поля является более точным, так как поле описывает состояние материи, а не саму материю. Но, несмотря на то, что субстанция физического вакуума неизвестна, ее свойства вполне измеримы при его деформациях, и вакуум – основная среда, изменения которой являются средством взаимодействия элементарных частиц.

Целесообразность различных упрощающих методов неоспорима, однако применение только традиционного набора методов весьма ограничивает возможности в понимании свойств вакуума и, например, таких фактов, как взаимодействие непересекающихся магнитных потоков, распространение электромагнитных полей и волн в этой среде с независимой системой отсчета.

Однако реальное взаимодействие частиц происходит не посредством увлекаемого физического поля, похожего на лучи света, проходящие через прозрачную среду, и не путем обмена виртуальными частицами. Элементарная электрически заряженная частица изменяет вакуум вокруг себя, и к другим таким частицам передается не ее изображение или абстрактная обменная частица. Электрические деформации вакуума, участвующие во взаимодействиях между элементарными частицами и объектами, образованными этими частицами, существенно меньше его предельных электрических деформаций, поэтому вне частиц не влияют друг на друга и взаимно прозрачны. Эмпирически это наблюдается как неразрывность электрических токов и потоков. Таким образом, другие электрически заряженные частицы оказываются либо в области возникших изменений вакуума, либо в области прохождения волны этих изменений. В элементарных частицах электрические деформации, т.е. локализованные заряд и его движение (спин), уже имеют предельные значения. Увеличивать эти деформации невозможно, и поэтому электрически заряженные частицы подвержены влиянию одновременно всех электрических деформаций и токов смещения, проходящих через пространство, занятое этими частицами. Сумма возникающих сил увлекает каждую элементарную электрически заряженную частицу, и ее ускорение и движение создает дополнительное движение и изменение электрических деформаций вакуума. При этом, в вакууме, как в саморегулирующейся упругой среде, стремящейся к снижению своей энтропии, например, в области расположения рассматриваемых частиц, возникающие силы и вызываемое ими движение этих частиц направлены на ослабление внешних электрических деформаций, действующих на эти частицы. Простейшие модели основных электрически заряженных элементарных частиц были кратко описаны в [1].

Опишем взаимодействия вакуума, измененного электрически заряженными частицами и их движением, с другими электрически заряженными частицами или электрическими токами проводимости. Для определения природы и характеристик такого взаимодействия рассмотрим отдельно измененный вакуум и движущиеся в нем электрически заряженные частицы.

1. Вакуум и его свойства.

Вакуум – среда, свободная от элементарных частиц, т.е. состоящего из них вещества. Расстояния между электрически заряженными элементарными частицами существенно превосходят размеры этих частиц, и поэтому основной средой, окружающей эти частицы, является вакуум. Поэтому для простоты объяснений в последующем тексте будем рассматривать объекты, помещенные в вакуум. Субстанция вакуума, т.е. кажущейся пустоты, неизвестна, но известны многие его свойства, проявляющиеся в электромагнитных взаимодействиях элементарных частиц.

Вакуум, всегда окружающий частицы, не является их частью, поэтому не увлекается движущимися в нем элементарными частицами, и тем более, движущимися в нем физическими телами. Этим вакуум отличается от увлекаемых макро-сред, заполненных веществом, т.е. он находится в собственной системе отсчета, в которой в нем распространяются его же электрические деформации и их изменения. Иначе вакуум затормаживал бы частицы, движущиеся в нем с постоянной скоростью v < c, где: c – скорость распространения электрических деформаций и их изменений в вакууме, т.е. скорость света в вакууме. Поэтому, хотя причиной деформаций вакуума и их изменений являются электрически заряженные элементарные частицы и их движения, скорость распространений этих деформаций и их изменений вакуума всегда рассматривается только в собственной системе отсчета вакуума, независимо от перемещения излучающих и воспринимающих их объектов. В этой системе отсчета эта скорость всегда равна c. Влияние этих деформаций и их изменений на элементарные электрически заряженные частицы обеспечивает взаимодействие этих частиц, а также состоящих из них физических тел. Все деформации вакуума действуют только на электрически заряженные элементарные частицы, которые как своим существованием, так и своим движением, сами являются первопричиной этих деформаций и их изменений. Распространение этих деформаций и их изменений в вакууме представляет собой волны электрических токов смещения. Поэтому логично все деформации вакуума называть электрическими.

Электрически недеформированный вакуум изотропен во всех направлениях, а пространственно бесконечно протяженное сглаживание неоднородностей деформаций вакуума, происходящее с относительно высокой скоростью c распространения этих процессов, придает вакууму сходство со сверхтекучими материалами. Но, как показано далее, в отличие от других таких материалов, в которых возможны только упругие деформации сжатия и разрежения, вакуум обладает электрической упругостью и относительно деформаций кручения, которые могут локально рассматриваться так же и как упругие электрические деформации сдвига. Причина стремления вакуума восстановить свое недеформированное состояние или перейти в состояние с однородной деформацией во всем заполняемом им пространстве при отсутствии сил, удерживающих эти деформации или удерживающих и локализующих неоднородности этих деформаций, объясняется следующим. Вакуум в области взаимодействующих в нем объектов сам является изначально условно однородной материальной системой. Такая система устойчива при уменьшении и если не равномерным, то пространственно плавным распределением в ней деформаций или энергии, т.е. при минимуме ее внутренней энтропии. Поэтому возникает кажущаяся упругость вакуума, т.е. упорядоченность его недеформированного состояния. Одной из причин электрической упругости и электрической энергоемкости вакуума является так же ограниченность скорости c распространения его электрических деформаций, благодаря которой в рассмотренных видах деформации вакуума накапливается энергия. Поэтому, задержку распространений электрических деформаций в вакууме, т.е. ограниченную скорость их распространений, далее мы учитываем путем введения понятий упругости и электроемкости вакуума.

Процесс распространения и пространственно сглаженного распределения электрических деформаций в вакууме, т.е. его условных сжатия, разрежения или сдвига, представляет собой волны токов смещения двух типов:

а) поперечных относительно направления волны, если деформация вакуума вызвана появлением в наблюдаемой малой области пространства спина частицы или если эта деформация вызвана движением частицы. Соответственно этому эти токи смещения назовем круговыми относительно частицы или всей замкнутой электрической цепи, в которой частица движется, или параллельными току на участке этой цепи, если рассматривается пространство только около этого участка;

б) продольных относительно направления волны, если деформация вакуума вызвана появлением или уходом электрически заряженной частицы в наблюдаемой малой области пространства.

Поляризации вакуума. В результате прохождения волн с токами смещения вакуум подобно диэлектрикам поляризуется. По истечении в течение времени прохождения волны, т.е. времени переходного процесса поляризации, вокруг электрически уже относительно неподвижных или движущихся с постоянной установившейся скоростью v заряженных частиц в вакууме устанавливается относительно неизменная картина плавного макроскопического распределения его электрических деформаций, т.е. поляризация вакуума. Это ответная реакция упругой среды встречно происшедшим смещениям. Поляризации вакуума в соответствии с типами произошедших электрических смещений, установившиеся, так же выделяются в две группы:

а) круговая поляризация. Эта поляризация вакуума образована в наблюдаемой области пространства в процессе появления или прихода частицы со спином, которым здесь условно сокращенно называем образующий частицу элементарный круговой электрический ток. Направление этой поляризация вокруг частицы такое же, как и у спина, т.е. вдоль окружностей, имеющих с ним общую ось. Хотя при установившемся круговом сдвиге электрической деформации, независимо от ее условного знака, т.е. электрического заряда, полюсы скопления деформации не образуются, такое смещение так же называем поляризацией. Учитывая то, что не существует незамкнутых электрических макро-токов, к такой поляризации при макро-рассмотрении можно отнести так же и поляризацию вакуума вокруг замкнутой цепи с установившимся электрическим током или вокруг постоянного магнита. Но при рассмотрении отрезка тока эту поляризацию желательно называть параллельной, т.е. параллельной установившемуся току. Эта поляризация поддерживается постоянством пространственно зафиксированного электрического тока, процесс установления которого вызвал токи смещения для такой поляризации вакуума, или неподвижным постоянным магнитом, появление которого в рассматриваемой области так же вызвало этот тип поляризации. Поддержание параллельной поляризации вакуума видно, например, при индивидуальном рассмотрении движущихся заряженных частиц [1], образующих электрический ток в проводе. При таком методе рассматриваются замкнутые токи смещения в среде, сопутствующие движению каждой из этих частиц. Вне траектории частиц, в том числе вне провода, они направлены встречно установившемуся постоянному макро-току в проводе и обеспечивают неизменность этого типа поляризации. Поэтому любое изменение тока в проводе вызовет изменение токов смещения, сопровождающих частицы, образующие этот ток, следовательно, вызовет пропорциональное изменение этой поляризации, наблюдаемое как излучение этим током волны поперечных токов смещения. При грубых практических расчетах можно провод с постоянным током условно считать электрически нейтральным, пренебрегая падением напряжения между его концами и полагая, что заряд частиц в проводе полностью скомпенсирован, пренебречь коэффициентом Лоренца [1] зависимости заряда частиц от их скорости в проводе. Это позволяет рассматривать параллельную поляризацию вакуума около тока отдельно. Круговая при индивидуальном рассмотрении электрически заряженных частиц, или параллельная при макроскопическом методе рассмотрения, поляризация вакуума аналогично поддерживается около постоянного магнита в любой части пространства между его полюсами как сумма преобладающего количества элементарных круговых поляризаций, поддерживаемых спинами условно неподвижных электронов магнита;

б) радиальная поляризация. Она образована в наблюдаемой области пространства в процессе появления или прихода в эту область частиц с электрическим зарядом и прямо простирается в пространство от этих условно неподвижной частиц. Возникновение электрического заряда частицы, благодаря вращательному движению противоположной по знаку предельной электрической деформации в этой частице и связанное с явлением, отдаленно похожим на гидродинамический эффект Бернулли, рассмотрено на простейшей модели элементарных заряженных частиц [1]. При этом показано ослабление влияния этой предельной электрической деформации на окружающее ее пространство, в которое она частично перераспределяется из-за этого движения. В результате становится преобладающим влияние компенсирующей предельной электрической деформации, и сумма двух противоположных предельных деформаций совпадает по значению и знаку с измеряемым зарядом частицы. Модель доказала прямую связь заряда частицы с ее магнитным моментом.

Для поддержания радиальной поляризации вакуума вокруг частицы достаточно наличия ее заряда. Радиальная поляризация поддерживается на элементарном уровне, поэтому для удержания радиальной поляризации в макро-объеме достаточно того, что этот объем отличается от окружающего его пространства соотношением частиц с разным знаком заряда. Для поддержания этой поляризации вакуума не требуется напора удерживающих электрических токов смещения, но для нее характерно наличие полюса скопления электрической деформации положительного или отрицательного знака, т.е. электрического заряда. Примером макроскопического объекта с такой поляризацией являются, например, обкладки заряженного электрического конденсатора.

Несмотря на отличие параллельной (круговой) и радиальной типов поляризаций вакуума, способ накопления энергии в них одинаков, т.е. в обоих случаях такой же, как и в электрических конденсаторах.

Вычисления напряженности электрических поляризаций вакуума.

Напряженность параллельной поляризации E_P||. При практическом макро-рассмотрении силовые линии круговой поляризации около провода с током и магнита одинаковы. Поэтому, независимо от типа источника этой поляризации далее вместо термина «круговая или параллельная поляризация вакуума» далее по возможности используем только термин «параллельная поляризация вакуума».

Рассмотрим провод, условно полностью электрически нейтральный и окруженный вакуумом. Определим, как зависит напряженность E_P|| параллельной поляризации вакуума от расстояния a от провода с установившимся в нем макро-током проводимости I. Для простоты формального эксперимента рассмотрим тонкий прямой длинный провод, резистивное сопротивление которого R → 0. Сразу после подключения концов этого провода к полюсам источника постоянного электрического напряжения U, как показано на графиках рис. 1, в течение времени наблюдения t в проводе линейно нарастает ток I. Классическая формула процесса: I = (U/L) ∙ t, где: L – индуктивность провода.

Рис. 1. Установление тока I в идеализированном тонком прямом проводе в течение времени t от момента подключения к источнику постоянного напряжения U, сопровождающееся излучением в пространство волны с поперечными к ее направлению токами Idp. Интеграл токов смещения Idp по времени t, или по протяженности пакета волны c∙t, равен установившемуся значению тока I.

Замыкая индивидуальные траектории электрически заряженных частиц в проводе, пришедших в направленное движение, в вакууме вокруг этих частиц проходят токи смещения. За пределами провода их сумма направлена встречно току I, и они обеспечивают поляризацию вакуума, причем сумма этих поперечных токов смещения I_dp, следующих в волне упругой поляризации, параллельной макро-току I в проводе, равна по значению току I в текущий момент t. Волна токов поляризации, пространственно равномерно излучаемая от провода, со скоростью с уходит в пространство. Допустим, в момент t ток I перестал изменяться. Так же становятся неизменными и встречные току I поперечные токи смещения около провода, сопровождающие движение заряженных частиц в проводе. Однако волна поляризации вакуума со скоростью c будет отдаляться от провода, и в пространстве между проводом и волной эти токи смещения уже будут накладываться на встречные им токи смещения деполяризации вакуума в этой области, поддерживая его установившуюся поляризацию. Поэтому, при макро-рассмотрении поперечные токи смещения измеримы только при прохождении волны через неполяризованную среду, а картина уже установленной поляризации кажется стационарной. Пространство, окружающее отрезок Δl рассматриваемого провода с устанавливающимся током I, условно разделим на вложенные в друг друга цилиндры длиной Δl, коаксиальные проводу и имеющие одинаковые стенки толщиной Δa = c∙Δt, где: Δt – время прохождения волны поляризации через стенку условного цилиндра. Пакет волны поляризации формируется в течение общего времени t разгона частиц, образующих ток I в проводе, и в течение этого времени t нарастания поляризации вакуума, постоянно проходит сквозь стенки произвольно выбранного условного цилиндра. Электрическая емкость любого из этих цилиндров, отдаленного от оси провода на расстояние a, равна ΔC = ε₀∙(2πa∙c∙Δt)/Δl. При Δt → 0, т.е. Δa → 0, и при скорости изменения макро-тока проводимости в проводе, равной (∂I/∂t), установившийся условный заряд в сечении этого тонкого цилиндра равномерен и равен ΔQ = (∂I/∂t)∙Δt². Тогда через время t напряженность электрического поля между концами этого цилиндра, т.е. напряженность параллельной электрической поляризации вакуума, скалярно равна:

E_P|| = I/(ε₀∙2πa∙c) = [I/(2πa)]∙(μ₀/ε₀)^1/2. (1)

Параллельная поляризация вакуума _P|| направлена встречно проходящим через вакуум токам смещения _dp, которые вызваны направленным движением носителей электрического заряда в проводе и поддерживают эту поляризацию, т.е. направление _P|| и направление тока проводимости в отрезке провода одинаковы.

Следовательно, формулы напряженности _P|| параллельной (круговой) электрической поляризации вакуума, скалярно отличаются от формул известных в классической теории электромагнетизма параметров среды, таких как напряженность H и индукция B магнитного поля, только константами соответственно: E_P|| = H∙(μ₀/ε₀)^1/2, E_P|| = B∙(μ₀∙ε₀)‾^1/2 = B∙c. По направлению _P|| совпадает с вихрем параметров и , т.е. с охватывающими их токами проводимости , или токами спинов в магните. Обратим внимание на то, что в классической теории электромагнетизма используется также векторный потенциал магнитного поля, считающийся абстрактным математическим параметром среды, определяемым, например, в [2] по формуле:  = rot  =  × , или в [3] для вакуума по формуле: _H = (I/4πa)d, где: – индукция магнитного поля; I – ток проводимости в отрезке провода длиной d; a – расстояние до отрезка d. Очевидно, что векторный потенциал _H так же пропорционален _P|| и совпадает с _P|| по направлению, т.е. мог бы признаваться реальным физическим параметром, но не тока или магнита и их поля, а вакуума, окружающего ток или магнит.

Напряженность радиальной поляризации E_Pr. Формулы для определения напряженности радиальной поляризации E_Pr полностью аналогичны классическим формулам для напряженности электрического поля. Например, напряженность радиальной поляризации, вызванной в вакууме электрически заряженной частицей с зарядом e, определяется так же, как напряженность электрического поля по формуле Кулона E_Pr = e/(4πε₀a²).

В общем случае в выделенном объеме пространства изменения интенсивности и направления возможны в источниках обоих типов электрических деформаций, представленных в виде суммарного электрического заряда и в виде отрезка суммарного тока. Такое изменение может осуществляться и перемещением этого заряда и/или тока между рассматриваемым и другими смежными объемами пространства или изменением направления вектора этого тока. Следом за этими изменениями происходит снятие прежних деформаций и пространственно сглаженное перераспределение измененных деформаций. Процесс изменения поляризации вакуума, окружающего этот объем, осуществляется волнами токов смещения. Количество источников электрических деформаций, заполняющих выделенный объем, ограничено. Тогда, например, обнуление источников, удерживающих поляризации вакуума своим зарядом или токами смещения, вызовет излучение от этого объема пространства волн токов деполяризации, после которых остается вакуум, упруго возвратившийся в свое недеформированное состояние.

Дополнительное описание первичного тока.

Первопричиной, т.е. источником, всех электрических изменений в средах часто является макроскопический электрический ток проводимости, который поэтому называют первичным. Движение электрически заряженных частиц, образующее этот ток, может быть вызвано неоднородностью радиальной поляризации среды и/или токами ее поляризаций, проходящими через местоположение этих частиц. Покажем, что макроскопический электрический ток проводимости, представляющий собой движение частиц, т.е. электрических деформаций, в основном содержит в себе электрический ток смещения. Движение электрически заряженных частиц, независимо от причины движения этих частиц, сопровождается индивидуальными электрическими токами смещения, сумма этих сопровождающих токов смещения вне провода направлена встречно току проводимости в проводе, а внутри провода их суммарное направление совпадает с направлением тока проводимости. Эти токи смещения являются движением электрической деформации того же знака, что и у частиц, движение которых является током проводимости. Электрические деформации в частицах предельны и не изменяются, поэтому частицы увлекаются этими токами смещения, проходящими через их местоположение. Таким образом, одинаковое движение несвязанных электрически заряженных частиц в проводе, т.е. макроскопический ток проводимости, начинается уже до возникновения несимметричных радиальных поляризации вакуума около этих частиц, и относительная задержка начала их движения вдоль провода связана только со скоростью c распространения поляризаций вакуума. Ток проводимости образован движением частиц, расстояния между которыми в их цепочке достаточно малы, чтобы сила воздействия электрической деформации вакуума от соседних частиц этой цепочки преобладала над силами такой же природы от других частиц провода. Поэтому движение спинов этих частиц, так же сопровождающееся токами смещения, должно создавать около этих частиц круговую поляризацию вакуума, напряженность которой больше, чем у круговой поляризации от относительно неподвижных частиц, и при таких малых расстояниях между ними обеспечить взаимную ориентацию этих спинов, т.е. усиливать взаимодействие частиц, участвующих в токе проводимости. Похожий, но усиленный эффект антиферромагнитности материала, наблюдаемый в купперовских парах электронов, создающих своим движением ток в сверхпроводниках, но при отсутствии токов проводимости, был обнаружен нами в тонких слоях электрически заряженных ферромагнитных материалов в процессе разработки чувствительных электронных компонентов высокого быстродействия.

Таким образом, благодаря токам смещения, возникающим при направленном движении хотя бы некоторой доли из числа свободных электрически заряженных частиц в проводе, эффект этого направленного движения усиливается, т.к. в это движение сразу включаются и остальные такие же частицы в проводе. Но размер частиц, участвующих в токе проводимости, мал по сравнению с расстоянием между ними, поэтому в объемном отношении ток в проводе в основном является током смещения.

2. Взаимодействие электрически заряженной частицы с электрически поляризованным вакуумом.

Силы, действующие на движущиеся электрически заряженные частицы. Цепь любого электрического тока замкнута, поэтому замкнуты и соосные с ней цепи параллельной поляризации вакуума, окружающего провод с этим первичным током, и цепь тока смещения, исходящего от первичного тока и поддерживающего эту поляризацию. Замкнутая цепь этого макро-тока смещения при индивидуальном рассмотрении является суммой вложенных в нее кольцевых элементарных токов смещения, возникающих от движения электрически заряженных частиц, направленное движение которых образует первичный ток. Поэтому цепь этого тока, как и цепь параллельной поляризации вакуума, представима так же и в виде суммы геометрически вложенных в нее условных элементарных кольцевых токов смещения с почти нулевым одинаковым радиусом. Тогда действие элементарного кольца поляризации _P|| вакуума на движущуюся частицу можно схематично представить, как показано на рис. 2. Для описания этого рассмотрим движение электрически положительно заряженной частицы e в вакууме с параллельной электрической поляризацией, т.е. около провода с постоянным первичным током. Частица при движении пересекает линии колец условных элементарных токов смещения, поддерживающих параллельную поляризацию вакуума. Минимум энтропии вакуума с движущейся в нем положительной частицей обеспечивается, если проекция скорости этой частицы на плоскость каждого такого кольца направлена встречно току смещения в этом кольце. Поэтому в этих плоскостях на частицу действуют силы, стремящиеся совместить вектор скорости частицы и вектор напряженности поляризации _P|| вакуума, скалярно определяемые уравнением: f_|| = e∙E_P||∙[(v/c)∙Cos β], где: β – угол между плоскостью тонкого условного кольца тока смещения и вектором . Пусть α – угол между вектором и нормалью к условному кольцу тока смещения. Так как сумма углов β и α равна π/2, то получилась менее абстрактная, т.е. без использования понятия магнитного поля, запись известной классической формулы для силы Лоренца движения электрически заряженной частицы в магнитном поле с индукцией B: f_L = e∙v∙B∙Sin α.

a)	б)
Рис. 2. Движение электрически заряженной частицы в электрически поляризованном вакууме: a) рядом с током проводимости; б) рядом с магнитом.

При входе частицы в условное элементарное кольцо _P|| на нее действует перпендикулярная отклоняющая сила f₁, стремящаяся совместить проекцию вектора с направлением линии _P|| в этом кольце. При выходе из кольца угол между отклонившейся проекцией и касательной к кольцу становится острым, и возвращающая сила f₂ < f₁. Хотя результат определения направления силы такой же, как и при использовании классического абстрактного правила левой руки, здесь мы используем более простое правило совмещения направления с _P||.

Зная заряд частицы и короткое расстояние, на которое смещается частица под действием отклоняющей силы, согласно уравнениям электростатики эту силу можно представить в виде электрической напряженности E_Σ и ЭДС_Σ, действующих в локальной окрестности частицы. Тогда посредством параметра напряженности электрической поляризации вакуума получаем формулы для эффекта Холла и остальных родственных гальваномагнитных явлений для заряженных частиц в вакууме.

Рассмотрим взаимодействие двух одинаковых отрезков l электрических токов проводимости ₁ и ₂ с взаимным отдалением a. Пусть ток I₁ является первичным. Определим электрическую напряженность параллельной поляризации _P|| вакуума, равномерную вдоль отрезка l этого тока: _P|| = ₁/(ε₀∙2πa∙c). Электрически заряженные частицы, направлено со скоростью v двигающиеся в отрезке провода с током I₂, пересекают условные элементарные кольца внешней параллельной поляризации _P|| и отклоняются под действием действующей на них силы Лоренца f_|| = e∙(v/c)∙Cos β∙E_P||, увлекая провод в направлении этой силы. Ток I₂ можно представить уравнением I₂ = (Ne/l) v, где: e – условно положительный электрический заряд одной частицы в токе I₂, N – количество таких частиц в отрезке длиной l. Тогда суммарная сила Лоренца, действующая на отрезок l тока ₂, будет равна _|| = N_|| = ₁₂l/(ε₀∙2πa∙c). Если токи ₁ и ₂ в отрезках проводов l параллельны или направлены встречно, то уравнение скалярно и полностью совпадает с классическим уравнением взаимодействия двух токов: F = _‾ [μ₀I₁I₂/(2πa)]∙l, где: отрицательный знак силы F значит притяжение однонаправленных токов (пинч-эффект).

Действие радиальной электрической поляризации вакуума, т.е. пространственно плавного изменения плотностной электрической деформации, т.е. условного сжатия и разрежения, на электрически заряженные частицы известно из электростатики.

Действие токов смещения поперечной волны на электрически заряженные частицы.

Вдоль условных линий неизменной во времени параллельной электрической поляризации изменений плотностной электрической деформации нет. Силы, которыми на электрически заряженную частицу, условно удержанную в неподвижности, действует параллельно поляризованный вакуум, полностью уравновешены силами, которыми эту частицу стремятся увлечь токи смещения, поддерживающие эту поляризацию. Поэтому параллельная поляризация вакуума не создает силы, стремящиеся перемещать неподвижные электрически заряженные частицы. На эти частицы действует только вращающий механический момент сил Лоренца, совмещающий ток спина частицы с круговой поляризацией в элементарном кольце, на которые, как рассматривалось выше, условно делится параллельно поляризованная область вакуума.

Однако во время t переходного процесса установления тока I (рис. 3, a) цилиндрическая область со статической, т.е. установившейся, параллельной электрической поляризацией вакуума, коаксиально охватывающая провод, граничит с неполяризованной областью, находящейся дальше от провода (рис. 3, б). На этой цилиндрической границе, расходящейся в виде волны со скоростью c и имеющей протяженность ct в направлении от провода, идет установление параллельной поляризации вакуума, и действие токов смещения, поперечных скорости волны, еще не уравновешено этой поляризацией.

a)

б)

Рис. 3. Переходный процесс поляризации вакуума вокруг провода, текущий в течение времени t = (t1 ‾ t0): a) токи смещения и поляризация в зависимости от времени установления первичного тока I, где: Idp – наблюдаемый ток параллельной поляризации EP|| вакуума, ΔSi – сечение условного тонкого цилиндра, коаксиального с проводом; б) движение волны поляризации вакуума, где: a – растущее со скоростью c расстояние от тока I; IdpΣ – полный ток смещения, создаваемый током I в каждом условном цилиндре сечением ΔSi в зависимости от его радиуса a; EP||Σ – напряженность уже установившейся поляризации вакуума без учета радиуса a условного цилиндра, EP||Σ = EP|| ΔSi/ΔS0, где: ΔS0 – сечение условного цилиндра, наиближайшего к току I; Idp – наблюдаемый в волне неуравновешенный ток поляризации вакуума; Idp = IdpΣ ‾ EP||∙ΔSi/ρ0, где: ρ0 – удельное условно емкостное сопротивление вакуума. Очевидно ΣaIdp = I.

На произвольном отдалении от тока I могут оказаться сторонние электрически заряженные частицы, и через их местоположение пройдет волна поперечных токов смещения, действие которых еще не уравновешено поляризацией вакуума. Действие таких токов на эти сторонние заряженные частицы можно представить как индивидуально действующие на них ЭДС или электрическая напряженность E_||.

Цепь вторичного тока проводимости, образованного движением этих частиц, параллельна рассмотренному выше электрическому конденсатору в вакууме, образованного торцами условного тонкостенного цилиндра, имеющего длину Δl, радиус a и торцы площадью ΔS_i. Цепь этого стороннего тока проводимости шунтирует поляризацию. При возникновении этого тока излучается волна встречных поперечных токов смещения, которая так же частично деполяризуют вакуум и, накладываясь на цепь первичного тока I, ускоряет рост тока I. Чтобы не рассматривать вторичный ток проводимости для краткости изложения условно зафиксируем рассматриваемые сторонние частицы, например, условно разорвав цепь стороннего, т.е. вторичного, тока.

Согласно полученной выше формуле (1) при уже установившемся токе I электрическая напряженность в условном вакуумном электрическом конденсаторе равна: P_|| = I/(ε₀∙2πa∙c). Согласно рис. 3, б распределенные по условным конденсаторам токи смещения I_dp при установлении поляризации P_|| равны скорости роста тока I, т.е. (∂I/∂t)∙Δt. Тогда избыточная электрическая напряженность, параллельная току I и создаваемая токами смещения вдоль стенки охватывающего ток I цилиндра радиусом a, лежащей в области прохождения волны поляризации вакуума, равна: E_|| = _‾ (∂I/∂t)∙Δt/(ε₀∙2πa∙c) = _‾ (∂I/∂t)∙Δa/(ε₀∙2πa∙c²). Так как в этой области при линейном росте I токи смещения I_dp не зависят от расстояния a, преобразуем это уравнение для определения встречной напряженности в проводе:

E_||w = _‾ (I/t)∙a/(ε₀∙2πa∙c²) = _‾ (I/t)/(ε₀∙2π∙c²) = _‾ (∂I/∂t)/(ε₀∙2π∙c²).

Согласно классическому уравнению 1/(ε₀∙c²) = μ₀. Тогда для отрезка Δl тока I получим: ЭДС = _‾ (∂I/∂t)∙Δl/(ε₀∙2π∙c²) = _‾ (∂I/∂t)∙μ₀∙Δl/(2π) = _‾ (∂I/∂t)∙L. Очевидно произведенная замена L = μ₀∙Δl/(2π) является эмпирически точной формулой самоиндукции прямого отрезка тонкого провода Δl.

В соответствии с классической теорией самоиндукция и взаимоиндукция обмоток, т.е. пространственно близко расположенных проводов с синхронными токами, пропорциональна магнитному потокосцеплению этих проводов, т.е. пропорциональна их количеству. Эта же пропорциональность с использованием понятия электрических поляризаций вакуума объясняется тем, что токи в рассматриваемых проводниках можно представить источниками ЭДС, параллельно подключенными к одной и той же нагрузке, т.е. к одной области электрически поляризуемой ими среды.

Следовательно, все эмпирические уравнения традиционной теории электромагнетизма, в том числе уравнения Максвелла, получаются без использования понятия физического поля как особого вида материи и без использования понятия магнетизма.

3. Электрическая поляризация сред, заполненных веществом.

Согласно перечисленным свойствам вакуума его поляризации распространяются в пространстве независимо от вещества, окружающего источники этих поляризаций, не подвергаясь изменениям и не задерживаясь частицами атомов этого вещества. Однако электрические заряды и спины некоторых из частиц окружающего вещества связаны во внутриатомном и межатомном взаимодействии с другими заряженными частицами атомов не настолько сильно, чтобы заметно не взаимодействовать с поляризациями вакуума.

Электрическая поляризация диэлектриков полностью рассмотрена в классической теории электричества, а реакция свободных электрически заряженных частиц и поведение проводников в электрически поляризованном вакууме рассмотрены во втором разделе статьи. Практическое применение ферромагнетиков и сильных парамагнетиков связано с их реакцией на параллельную электрическую поляризацию вакуума. Поэтому для краткости рассмотрим неэлектропроводные ферромагнетики [4] и парамагнетики.

Проходящая через эти материалы волна параллельной поляризации вакуума, пришедшая извне, макроскопически не влияет на ориентацию токов спинов частиц, ответственных за магнитные свойства материала. Однако, как указано выше, плоскости этих токов преимущественно ориентируются для совпадения с параллельной, т.е. круговой поляризацией вакуума, остающейся за проходящей волной, в том числе после ее переднего фронта. Эта ориентация сопровождается излучением этими частицами волн токов смещения, вызывающих совпадающую поляризацию вакуума, причем интенсивность излучения пропорциональна количеству этих частиц и усредненной относительной проекции их ориентации. При этом вызванная поляризация превышает поляризацию от внешних источников.

Если рассматривать обмотку с ферромагнитным сердечником согласно приведенному методу, то действие сердечника похоже на действие множества дополнительных витков, подключенных синфазно с витками обмотки как источники ЭДС к одной и той же нагрузке, т.е. к одной и той же области поляризуемого ими вакуума. Поэтому токи витков взаимно подавляются не только взаимными излучениями волн со встречными им поперечными токами смещения. Такое увеличение сопротивления обмотки соответствует эмпирическим макроскопическим результатам классической теории электромагнетизма.

Таким образом, несмотря на практичность абстрактных теорий, основанных на не прохождении внешних поляризаций сквозь диэлектрик, проводник, сверхпроводник или ферромагнетик, используемых например, в качестве материала для экранов, сердечников или линий передачи электроэнергии, происходящие макроскопические явления в этих материалах выглядят иначе, чем объясняется в этих теориях. Дополнительные электрические поляризации вакуума, вызванные реакцией материала на внешние электрические поляризации, проходящие сквозь этот материал, часто существенно превышают эти внешние поляризации. Эти дополнительные поляризации накладываются на проходящие через материал поляризации, обеспечивая их макроскопическое обнуление или многократное усиление. При этом конструкция изделий, например, замкнутых ферромагнитных сердечников и закрытых экранов обеспечивает макроскопическую локализацию поляризаций, наложенных материалом этих изделий. Проходящие поляризации вакуума как бы маскируются поляризациями, наложенными материалом. Однако иногда неизбежно приходится учитывать, что при индивидуальном рассмотрении поляризации вакуума от любых электрически заряженных частиц распространяются в пространстве, не изменяясь. Например, используя традиционное электромагнитное представление, невозможно было бы объяснить взаимодействие ферромагнитных слоев с непересекающимися и с не сливающимися магнитными потоками в некоторых конструкциях магнитных датчиков [5] и электромагнитных трансформаторов [6].

4. Поправки, связанные с движением электрически заряженных частиц. Метод представления движения электрически заряженных элементарных частиц сквозь вакуум.

Диполи движения. Для индивидуальной оценки поля сил, которыми действует на движущуюся электрически заряженную элементарную частицу вакуум, поляризованный внешними источниками, и сил, которыми действуют на нее токи смещения, протекающие в вакууме при перестройке его поляризаций, необходимо рассмотреть изменения, происходящие на границе движущейся частицы и действующего на нее вакуума. Внутренние предельные электрические деформации частицы уже не могут изменяться действующими на нее внешними воздействиями, и эти пограничные изменения вакуума изменяют только ее движение и ориентацию спина. Другие частицы, которые создали или создают рассмотренные виды поляризаций вакуума, не связанных с влиянием на него рассматриваемой частицы, находятся относительно далеко от нее, поэтому вакуум, содержащий другие аналогичные частицы рассмотрим макроскопически.

Для решения задачи можно использовать метод точного анимационного геометрического представления движения, применяемый для эквивалентного изображения движения любых объектов. Допустим, что: скорость частицы v << с и не вносит заметных изменений в ее параметры; протяженность частицы в направлении траектории ее движения равна d; проявляемая внешне разность предельных электрических деформаций, т.е. ее заряд равен +e_Σ; в короткий отрезок времени рассмотрения Δt → 0 частица сместилась на расстояние Δd. Как показано на рис. 4, это представляется следующим образом: на условно неподвижную частицу в действительности покинутом участке ее местоположения накладывается условная дробная античастица с протяженностью Δd, в действительности вновь занятом участке накладывается условная дробная частица протяженностью Δd. Согласно рис. 4, где принято Δt = d/c, видно, что расстояние между центрами условно наложенной античастицы и условно приложенной частицы не зависит от скорости v частицы и равно протяженности d частицы. Предельные электрические деформации частиц, условно введенных в такой схеме, пропорциональны их протяженности. Следовательно, эти условные частицы вместе представляют собой диполь с плечом d и полюсами с электрическими деформациями _‾q_Σ = (_‾e_Σ∙v/c) и +q_Σ = (+e_Σ∙v/c). Очевидно, процесс происходит в эффективном сечении реальной частицы, т.е. в вакууме вблизи его границы с реальной частицей, где плотность электрических деформаций достаточно высока, чтобы при наложении других электрических деформаций достигнуть предельного значения. При отдалении от частицы эти деформации вакуума существенно ослабевают и взаимно прозрачны, а их перетоки являются взаимно прозрачными токами смещения. Несмотря на неувлекаемость сверхтекучего вакуума, процесс перетока электрических деформаций в вакууме между полюсами возникшего диполя всегда сопровождает движущуюся частицу и становится ее дополнительным параметром при движении, т.е. диполем движения.

Рис. 4. Определение диполя движения без учета коэффициента Лоренца, уменьшающего внешне проявляемые электрические деформации +eΣ частицы, т.е. при скоростях частицы v << c. При этом полагается, что плечо диполя постоянная величина, равная протяженности (диаметру) d частицы, а его заряды меняются пропорционально скорости v частицы.

Рассмотренный метод определения диполя движения электрически заряженной элементарной частицы точен при скоростях частиц v << c, т.е. применим в электротехнике и во многих других практических областях электромагнетизма.

Диполь движения – условный изменяемый параметр электрически заряженной частицы, отражающий ее движение как ее новое состояние, связанное с возникшими при этом изменениями в частице и новыми изменениями, вызванными частицей в окружающей ее среде в результате ее движения. Он пропорционален вектору ее скорости и совпадает по направлению с ним и касательной к траектории частицы. Силы, действующие на частицу в результате взаимодействий ее и ее диполя движения с поляризованным извне вакуумом, изменяют диполь движения, уменьшая энергию системы, состоящей из частицы и окружающего ее вакуума, т.е. изменяют скорость и траекторию частицы. Результат взаимодействия частицы и ее диполя движения с поляризованным извне вакуумом или протекающими в нем токами смещения отражается путем замены этого диполя новым диполем, получающимся при суммировании этих взаимодействий. В отличие реальных электрических диполей, часто состоящей нескольких электрически заряженных частиц с изменяемой дистанцией между ними и в основном рассматриваемых как источники электростатической, т.е. радиальной, поляризации, электрический диполь движения существует только при движении и связан с электрическим током проводимости, т.е. параллельной электрической поляризацией. Движение обычного диполя, как и движение электрически нейтрального тела, не вызывает в вакууме макроскопического тока смещения, а диполь движения является источником этого тока. Однако, как и у всех электрических диполей, ориентации диполей движения направлены на снижение поляризации среды, и они макроскопически создают условную диэлектрическую проницаемость ε_v. Поэтому, например, электрические поляризации среды снижаются не только в результате прибытия электрически заряженных частиц в пространственные координаты, более близкие к области пространства с дефицитом концентрации электрического заряда с таким же, как у них знаком, но и фактом движения этих частиц в эту область.

5. Измерение напряженностей электрических поляризаций среды.

Измерение напряженности радиальной поляризации среды известно как измерение электростатического поля. Измерение напряженности параллельной поляризации может производиться теми же приборами, которыми измеряется магнитное поле, например, датчиками Холла и магниторезистивными датчиками [5], однако рассмотренный в статье метод располагает к созданию более эффективных приборов, и работа в этом направлении будет продолжена.

Повседневная работа авторов направлена на создание и практическое внедрение в серийное производство высококачественных современных изделий, основанных на применении явлений, обнаруженных при создании рассмотренных методов.

Список литературы.

1. Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Метод индивидуального рассмотрения поля заряженных частиц в электромагнитных системах. Материалы VII международной научно-практической конференции «Динамика научных исследований» 7–15 июня 2011 г. Том 20. – Przemyśl (Чехия): Nauka i studia, с. 78-87.

2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Москва: Мир, 1977.

3. Менде Ф. Ф. Непротиворечивая электродинамика. Харьков, НТМТ, 2008, – 153 с.

4. Казаков О.В., Казаков В.В., Немцев Г.А. Трансформаторы с уменьшенными бросками тока намагничивания и гистерезиса сердечника. Региональная энергетика и электротехника. Проблемы и решения. Сборник научных трудов. Выпуск VII. – Чебоксары: Чувашский государственный университет, 2011, с. 235-252.

5. G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach and W. Zinn. Enhanced magnitoresistance in iayered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange. Physical review, B, V. 39, No 7, 01.03.1989.

6. Вафин Ш.И., Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Трансформатор. Патент РФ, заявка № 2010125739, МКИ H 01 F 30/06, от 23.06.2010.