Метод индивидуального рассмотрения поля заряженных частиц в электромагнитных системах

evident an essence of conductivity current, which has the unseparable unity with a magnetic field and with a wave of a transverse displacement currents which is radiated at establishment of this current. The method is used at designing new devices for the transformation of energy, for measurements and communication.

Keywords: electric field, displacement currents, principle of superposition, particles model, maximum density of electric deformation, relativity theory, Lorentz's constant, transformers, reactors, radiating aerials, measuring devices.

Уравнения современной теории электромагнетизма базируется на кажущемся удобным для практического использования макроскопическом рассмотрении явлений, когда электрические поля заряженных частиц, а так же токи смещения, связанные с их движением, рассматриваются слитно. Такое упрощение соответствовало бы реальности, если бы в любой точке пространства вне рассматриваемых частиц действительно происходило суммирование полей и суммирование токов смещения, словно в этой точке существует не вакуум, а абстрактная заряженная частица, на которой векторно суммируются воздействия индивидуальных электрических полей или токов смещения рассматриваемых частиц, вычисленные в этой точке. Поэтому метод макроскопического рассмотрения никак не согласуется со следующими общеизвестными принципами, определяющими свойства электрических полей, т.е. электрических деформаций вакуума, и токов смещения, т.е. электрических деформаций в движении:

– с суперпозицией электрических полей или токов смещения, т.е. взаимной прозрачностью электрических деформаций вакуума, если их магнитуды или векторная сумма в рассматриваемых точках вакуума меньше предельного значения. Согласно этому принципу различные электрические поля и токи смещения проходят в вакууме сквозь друг друга без взаимного влияния;

– и как со следствием суперпозиции – с неразрывностью и отсутствием искажений этих индивидуальных силовых линий электрических полей и токов смещения.

Каков же, например, результат традиционного макроскопического рассмотрения электромагнитной системы, первым компонентом которой является петля постоянного первичного тока проводимости или постоянный магнит, а вторым – излученная волна поперечных токов смещения или петля еще не обнулившегося вторичного наведенного тока проводимости? Причем, вторичная петля может быть и сверхпроводящей. В пространстве между названными компонентами не будут обнаруживаться электрические поля, индивидуальные для каждой частицы, и индивидуальные токи смещения, вызванные либо движением заряженных частиц, либо их магнитными спинами. Ведь на электрически заряженных частицах в материале любого измерительного датчика, неподвижного относительно компонентов рассматриваемой системы, воздействия этих параметров электромагнитного поля суммируются с нулевым результатом. В результате индивидуальные электрические поля и токи смещения при общепринятом макро-рассмотрении за пределами провода или постоянного магнита кажутся разорванными даже в вакууме, и невозможно представить, что они связывают первичные и вторичные цепи электромагнитной системы. Исторически принято считать, что связь между этими компонентами системы обеспечивается только магнитным полем.

Задержка распространения изменений электрического поля и конечная скорость волны поперечных токов смещения в макроскопических уравнениях так же учитывается только иногда и только в виде поправок из теории относительности, т.е. путем умножения на весьма неточный коэффициент Лоренца [1].

Перейдем к индивидуализированному, и, следовательно, целостному рассмотрению как электрических полей частиц, образующих первичный ток, так и токов смещения, вызванных движением этих частиц. Далее воспользуемся главой «Вихри и источники электромагнитного поля» общепризнанной теории, изложенной, например, в [2]. Согласно ей магнитное поле можно полностью и правомерно представить его вихрем, т.е. сцепленным с ним электрическим током, например, током смещения, плотность которого распределена в пространстве согласно значению индукции представляемого магнитного поля. Будем принимать во внимание, что статусы динамичности и статичности параметров электрического поля, по историческим причинам, меняются при умножении на константу ε₀ подобно их интегрированию по времени, а статусы динамичности и статичности параметров магнитного поля аналогично меняются при умножении на константу μ₀. При этом такому статическому параметру магнитного поля, как ампер-витки, приравнивается такой динамический параметр электрического поля, как полный ток. В соответствии с изложенным, любую электромагнитную систему полей и токов можно исчерпывающе представить и описать уравнениями с использованием только электрических статических и электрических динамических параметров. Если же использовать только магнитные параметры, то описание электрических зарядов, и, следовательно, всей электромагнитной системы, становится физически неподтверждаемой математической абстракцией.

Какими преимуществам и недостатками обладает метод индивидуализированного рассмотрения полей и токов?

В практике проектирования электрических устройств, электромагнитные системы содержат относительно крупные объекты, например, проводники, обмотки и т.д., в которых электрические поле и ток представлены большим количеством заряженных частиц. Однако это не приводит к громоздким расчетам, поскольку заряженные частицы в электропроводном материале распределены равномерно, и для оценки неоднородности полей и токов достаточно наблюдение перемещения одной заряженной частицы на протяженности одного атома или ячейки кристалла. Картина на этом отрезке будет постоянно повторяться благодаря проходу по этому отрезку череды таких же последующих частиц, образующих электрический ток. Например, угол обозрения электрического поля и токов смещения на расстоянии 1 мм от медного провода будет иметь размерность 10^-7 градуса. Значит, наблюдаемые колебания электрического поля и тока смещения при движении и смене заряженной частицы сквозь такие отрезки провода будут настолько малы, что высокая точность при расчетах сохраняется, даже если полностью пренебречь этими колебаниями. Кроме этого, можно сохранить макроскопическое рассмотрение первичных и вторичных токов, т.к. при этом иллюзия обнуления этих токов не создается. Хотя при постоянном первичном токе, согласно подробной иллюстрации рассмотренного примера, электрические токи смещения, представляющие его магнитное поле, можно при расчетах считать равномерно распределенными неизменными параметрами, на значения которых не влияет наличие промежутков между частицами, для наглядности свойств магнитного поля необходимо подразумевать эти токи индивидуально связанными с создающими их отдельными заряженными частицами. Тем не менее, стало очевидно, что методика индивидуального рассмотрения электрических полей заряженных частиц и токов смещения от их движения не усложняет описание и уравнения электромагнитных систем. Например, уравнение Максвелла в виде закона полного тока для трансформатора, представленное полностью только электрическими параметрами, будет выглядеть так:

I₁ = k_w∙I₂ - k_m∙I_μ + I_dp, (1)

где: I₁ – полный первичный ток; I₂ – полный вторичный ток, содержащий все наведенные токи; I_μ – ток реакции сердечника при намагничивании полем, установившимся после прохождения волны поперечных токов смещения, излученной при установлении первичного тока; k_w – коэффициент связи первичного и вторичного токов, учитывающий конечную скорость c электрического сигнала; k_m – коэффициент связи первичного тока и тока, представляющего ориентированное состояние системы магнитных спинов d-электронов материала сердечника, учитывающий конечную скорость c электрического сигнала; I_dp – суммарный электрический ток смещения, характеризующий магнитные потоки рассеяния, соответствующие магнитному полю, установившемуся после прохождения волны, а так же поперечные токи смещения, несомые излученной волной.

Актуальность индивидуализированного рассмотрения электрического поля и токов смещения при движении заряженных частиц в электромагнитных системах и полного их представления с использованием только электрических параметров доказывается следующими примерами.

1. Удается теоретически обосновать опытно определенные работоспособность и аномально низкие потери сверх компактных мощных электромагнитных трансформаторов с ферромагнитными совмещенными обмотками-сердечниками [3], т.е. обосновать результаты точных калориметрических измерений [4]. По картине электрических полей и токов, получаемой согласно новой методике видно, что магнитный поток вторичных обмоток проходит по сердечнику не произвольно, а является частью общего магнитного потока, связывающего обмотки, и следует только по пути первичного потока, не вызывая разогрев обмоток-стержней, прогнозируемый при традиционном рассмотрении электромагнитной системы новых трансформаторов.

В настоящее время полностью завершены опытные и технологические работы, относящиеся не только к низкочастотным силовым трансформаторам повышенной компактности и надежности, но и к таким же высокочастотным трансформаторам, обеспечивающим низкий уровень бросков тока при импульсных напряжениях. Эти разработки полностью обновят сегодняшнюю трансформаторную индустрию, и, имея высокое мировое практическое и коммерческое значение [5], рекомендуются как готовые для быстрого внедрения в крупносерийное производство на новых крупных предприятиях трансформаторной индустрии экономически ведущих стран.

2. Авторами был обнаружен эффект возникновения электрического заряда обмотке при протекании по ней тока. Для чистоты эксперимента уединенный источник импульсного напряжения и подключенная к нему катушка медного обмоточного провода были размещены в герметически запаянном медном цилиндре с 30 мм толщиной стенок. Электронный электроскоп, расположенный на расстоянии большем длины волны излучения, при любой относительной ориентации оси катушки одинаково показывал наличие источника пульсирующего положительного электрического заряда. Но когда, с сохранением всех визуальных параметров катушки, материал провода был заменен на хром, так же обладающий высокой электропроводностью, но не электронным, а дырочным типом проводимости, цилиндр обнаруживался как источник пульсирующего отрицательного электрического заряда. Эффект имеет отдаленное сходство с гидродинамическим эффектом Бернулли, хотя его причинами являются сочетания других явлений. Ранее было бы сложно объяснить высокую электрическую связь обмоток, т.к. расчеты емкостно-индуктивной и радиосвязи при промышленных частотах давали только 10% от измеряемых значений статических наводок на вторичную обмотку. Работа была рекомендована для использования в запатентованных импульсных трансформаторах без экрана между обмотками.

Для получения уточненных констант нового явления, которые можно было бы применять при проектировании устройств, согласно рассматриваемой новой методике представления электромагнитных систем были построены простейшие корпускулярные модели устойчивых заряженных частиц с ненулевой массой покоя, т.е. электрона и позитрона.

Модели строились согласно следующим соображениям. Электрически заряженные частицы являются центрами электрической деформации вакуума условно положительного и отрицательного знака, а токи смещения – движущимися однородными деформациями такого же типа. При этом, если электромагнитные поля и частицы имеют одинаковую природу, но электрические поля и электрические токи смещения вне частиц подчиняются принципу суперпозиции, а рассматриваемые частицы подвержены их влиянию, то логично существование предельных плотностей электрических деформаций вакуума. В простейшей модели тело электрически заряженной частицы, покоящейся в системе отсчета наблюдателя, представлено двумя полностью совмещенными пространственно дисками предельных электрических деформаций двух противоположных знаков, но одинаковой величины. Согласно обнаруженному эффекту, вращение одной из этих деформаций приведет к ее меньшему влиянию на окружающее пространство. Например, вращение положительной электрической деформации создаст эффект отрицательного измеряемого электрического заряда частицы. Этот измеряемый заряд частицы имеет существенно меньшее значение, чем реальный заряд предельной электрической деформации тела частицы одного из знаков. При этом линейная скорость электрической деформации, находящейся во вращающейся системе отсчета, относительно наблюдателя в неподвижной системе отсчета может быть равной только скорости c распространения электрического поля.

Проведем качественный и количественный анализ моделей.

Согласно работе новой модели, механический и магнитный спины частицы, как это и должно быть, направлены встречно. Этот факт в физике частиц непонятен и объясняется как изначальное аномальное свойство субстанции частиц. Так же, в построенной нами примитивной модели, для создания магнитного момента частицы уже не требуется аномально быстрое вращение измеряемого заряда частицы, соответствующее линейной скорости на четыре порядка выше скорости c. Факт сильно завышенных значений механических и магнитных спинов и заниженных зарядов и масс частиц заставляет относить эти параметры к взаимно независимым внутренним атрибутам субстанции частицы. В новой модели вращение одной из совмещенных предельных электрических деформаций приведет к появлению обоснованно взаимно зависимых измеряемых значений механического и магнитного спинов, массы покоя и электрического заряда частицы. Далее, если обе предельные электрические деформации вращаются встречно, то у частицы появляется только магнитный спин, причем его относительное значение будет равным 1 как у γ-фотона, а не 1/2, как у электрона и позитрона. Одинаковое вращение должно привести либо к появлению трудно обнаруживаемой частицы, либо как при покое обеих деформаций – полному отсутствию какой-либо частицы. Поиск подобных не обнаруживаемых энергетических бозонов Хиггса, заполняющих Вселенную, являясь одним из направлений исследований на коллайдере В ЦЕРНе, не дал никаких результатов [6]. Ведь создание пары покоящихся предельных электрических деформаций ведет к высокой энтропии, устойчивой только при скорости c хотя бы у одной предельной деформации. Значит, такие неуловимые энергетические частицы невозможны.

Определим константы, связанные с движением электрических зарядов.

В справочниках дается точное значение магнитного спина электрона μ₀_e = μ_B = 9,273·10⁻²⁴ A·м² и точное значение измеряемого заряда электрона, равное q_e = 1,602·10⁻¹⁹ К, однако серьезную проблему для выбора реального корпускулярного радиуса r_e электрона создало наличие данных только о его волновом и эффективном радиусах. Например, минимальный классический зарядовый радиус электрона, получаемый путем приравнивания электростатической энергии электрона к его энергии покоя [7], [8], равен r_e ≈ 2,8179 × 10⁻¹⁵ м. Расчет из условия равенства плотности электрона и нуклона дает r_e ≈ 0,098·10⁻¹⁵. Возможно, что более реальные размеры электрона получаются путем анализа поведения электронов в ловушке Пеннинга [9]: r_e ≤ 10⁻²² м.

Современная наука пока так же не располагает надежными данными о субстанции вакуума и о распределении плотности субстанции электрона. Однако эта плотность соответствует предельной электрической деформации вакуума, некоторые свойства которого в отношении электрических деформаций и их движения хорошо известны. Поэтому логично считать это распределение равномерным. В этом случае, полное значение предельной электрической деформации вакуума в электроне было бы равно q₀_e = 4∙μ₀_e/(c∙r_e) = 4∙9,273·10⁻²⁴/(2,998·10⁸·10⁻²²) ≈ 1,273·10⁻⁹ К. Принятыми во внимание известными свойствами вакуума в отношении электрических деформаций и их движения при этом являются: суперпозиция, т.е. отсутствие взаимного давления в пространственно совмещающихся областях полей и токов смещения, в которых сумма плотности электрической деформации меньше предельной; отсутствие прямого взаимодействия вакуума с электрическими деформациями в виде поглощения, рассеивания и торможения; скорость распространения электрических деформаций и их изменений, в том числе их движения в токах смещения, в вакууме равна c; выравнивание плотности условно стационарных, т.е. измеряемых, значений электрических деформаций, исходящих от электрически заряженных частиц, происходит согласно уравнению поля Кулона и со скоростью, равной c.

Так как в обозримом пространстве основная масса частиц с ненулевой массой покоя имеет относительно друг друга скорости v_i << c, то наиболее верным будет утверждение, что абсолютно покоящаяся система отсчета обозримого пространства, в которой находится вакуум, связана с центром масс этих частиц. Учет эффекта Доплера при анализе утверждения об инвариантности скорости c при выборе других систем отсчета показывает несостоятельность выводов о независимости скорости c от движения системы отсчета, т.к. вакуум, как среда распространения электрического сигнала, согласно принципа суперпозиции никак не связан с движущимися относительно него объектами и не переносится в их систему отсчета. Этой цепочке логического анализа уже не противоречат те же известные результаты экспериментов Майкельсона и Физо по измерению относительной скорости c. Таким образом, константа граничного значения коэффициента Лоренца, показывающего изменение электрического заряда при его движении в среде с определенным значением скорости c, согласно доступным данным определяется из соотношения k_L = q_e/q₀_e и равна 1,258∙10⁻¹⁰ ≠ 0. Известно, что при скорости заряженной частицы v_q = 0 коэффициент Лоренца равен 1. Наличие полученного, хоть и весьма приблизительного, ненулевого результата второй точки функции Лоренца имеет важное значение при проектировании электромагнитных устройств, в том числе, средств измерений и связи. Согласно изложенному, определение константы производилось в отношении предельной электрической деформации, помещенной в замкнутую, вращающуюся относительно неподвижной центральной точки систему отсчета. Такой способ обеспечивает простую неизменную картину движущихся деформаций относительно неподвижного наблюдателя, облегчая условия точного вычисления констант, применимых и для объектов, переведенных в линейно движущиеся системы отсчета.

3. Рассмотренное исчерпывающее представление электромагнитной системы только электрическими параметрами показывает неотделимость и одновременное существование трех, традиционно выделяемых, условных компонентов этой системы. Проанализируем эти компоненты, одновременно сравнивая новый метод с традиционным методом макро-рассмотрения электромагнитной системы.

Первым традиционным компонентом системы является первичный ток, связанный с движением заряженных частиц – центров электрической деформации среды. Компенсация энтропии, т.е. неоднородного пространственного распределения электрических деформаций, создаваемого источником питания, обеспечивает установление большей устойчивости электромагнитной системы. При подключении электропроводной нагрузки к источнику питания, условия для процесса компенсации такой макроскопической неоднородности обеспечиваются движением подвижных заряженных частиц электрической цепи к полюсам источника питания. Однако движимые заряженные частицы сами являются локальными центрами, из которых простираются в пространство независимые электрические деформации, и при движении заряженных частиц часть их электрического поля отвлекается в прилегающую точку их прежнего местоположения, создавая токи смещения. Эти токи смещения, т.е. движение электрической деформации такого же знака, как и у измеряемых деформаций движущихся частиц первичного тока, являются вторым компонентом электромагнитной системы. При неизменном значении первичного тока, усредненное воздействие этих токов на заряженные частицы, внешние по отношению к току и неподвижные относительно электромагнитной системы, взаимно скомпенсировано. Аналогичную картину вокруг постоянного магнита создает группа одинаково ориентированных магнитных спинов его намагниченного материала. Поскольку при традиционном макро-рассмотрении стационарно измеряемый второй компонент кажется равным нулю, его вполне практично без рассуждений заменяют магнитным полем, как совершенно иным видом поля сил.

Однако третий традиционный компонент системы, а по сути те же токи смещения, но пространственно принадлежащие границе устанавливающегося магнитного поля, т.е. волне поперечного движения электрической деформации, неизбежно не равен нулю при любом методе рассмотрения. Обычно в состав третьего компонента так же входит электрический ток проводимости вторичных электрических цепей, вызванный проходящей через них волной.

Несмотря на то, что плотность электрической деформации, движущейся в волне токов смещения, уменьшается по мере распространения волны и роста охватываемого ею объема вокруг первого компонента электромагнитной системы, т.е. первичного тока, нет оснований отказываться от хроники компонентов электромагнитной системы и утверждать, что они существуют независимо. Таким образом, электрический ток, вызванный в первичной цепи, неизбежно связан с одновременным возникновением и существованием токов смещения, родственных с ним по электромагнитной системе и направленных встречно и уравновешивая его. По возможности, при прохождении волны одновременно возникают и существуют и вторичные токи проводимости, проекции которых на волну совпадают по направлению с несомыми волной токами смещения. Первичный ток связан с переносом электрически заряженных частиц, но вместе с одновременно возникающими токами смещения и проводимости образует замкнутые системы единого электрического тока, причем векторная сумма первичного тока с остальными токами в единой электромагнитной системе всегда сохраняется равной нулю.

Следовательно, для возникновения и существования электрического тока на участке проводника необходимо существование не только приложенного к его концам внешнего электрического поля и электрически заряженных частиц в проводнике, способных к движению или смещению под действием этого поля, но и условий для прохождения вне проводника токов смещения, возникающих при движении этих частиц. Например, если провод, в котором устанавливается первичный ток, окружен материалом, ускоряющим или замедляющим распространение волны токов смещения, а так же улучшающим или ухудшающим протекание токов проводимости, то нарастание первичного тока так же ускорится или замедлится. Электропроводный и диэлектрический материалы ускорят это нарастание. Ферромагнитный материал влияет иначе. Пропорционально интенсивности токов смещения, созданных первичным током, происходит изменение совмещения с ними внутренних токов электронов ферромагнетика, участвующих в изменении его намагничивания. Такая ориентация спинов вызовет излучение ими своей волны поперечных токов смещения. Часть этой волны достигает частиц первичного тока, и ее ток смещения действует на них встречно их ускорению, ослабляя изменение токов смещения, вызываемых движением этих частиц, следовательно, ослабляя изменение общего тока электромагнитной системы.

Заключение.

Метод индивидуального рассмотрения поля заряженных частиц в электромагнитных системах и полученные константы были успешно использованы при расчетах, разработке, изготовлении, испытаниях и анализе:

– мощных трансформаторов и ректоров с совмещенными обмотками-сердечниками, отличающихся от традиционных аналогов лучших мировых изготовителей двукратным снижением массы, размеров, потерь и себестоимости, повышением надежности, экологической безопасности и улучшенными характеристиками;

– систем экранирования обмоток и токопроводов;

– специальных антенн связи с повышенной дальностью и новых измерительных приборов.

Авторы благодарны господину Бунину А. и другим ведущим специалистам фирмы Siemens AG за оперативную критику недочетов и совместное обсуждение затруднительных конструктивных проблем, изящное решение которых было весьма полезным при проектировании названного перечня оборудования и приблизило дату его серийного внедрения на предприятиях в странах ЕЭС и США.

Список использованной литературы.

1. Брон О.Б. Электромагнитное поле как вид материи. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, С. 254.

2. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970, С. 284.

3. Казаков В.В., Немцев Г.А. Трансформатор. Патент РФ № 2320045, МКИ H 01 F 30/06; Бюл. № 8 от 20.03.2008.

4. Протокол калориметрических исследований омических потерь в электромагнитном устройстве. – Чувашский государственный университет, кафедра ЭСПП. – декабрь 2008. – С. 5.

5. Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Новые компактные экономичные трансформаторы с малыми потерями, линейной характеристикой и с пониженным уровнем сверхтоков в импульсных схемах и при аварийных токовых перегрузках. – М.: VII международная научно-техническая конференция Travek «Силовые трансформаторы и системы диагностики», 22-23 июня 2010 г.

6. Основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук. Отчет о деятельности российской академии наук в 2001 году. М.: Наука, 2002, ISBN 5-02-008791-2.

7. Hermann Haken, Wolf, Hans Christoph; Brewer, W. D. The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory. – Springer, 2005, page 70, ISBN 3540208070.

8. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике. – М.: Наука, ГРФМЛ, 1985 – С. 634.

9. Dehmelt Hans. A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius, Physica Scripta, 1988, Vol. T22, pages 102–110.