Введение
В классической электродинамике утверждается, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное и наоборот [1], [2]. Связь между ними задаётся уравнениями Максвелла [3]. Основой для такого утверждения является гипотеза о существовании магнитного поля у токов смещения. Однако, эта гипотеза не имеет экспериментального подтверждения. Наблюдаемое кольцевое магнитное поле между обкладками плоского конденсатора в демонстративном эксперименте по наблюдению токов смещения, как утверждается, например, в [5], вызвано радиальными токами проводимости, текущими по обкладкам. Там же теоретически описывается распространение поперечных магнитодинамических волн с помощью модифицированной системы уравнений Максвелла.
С целью поиска переменного магнитного поля в области переменного электрического проведены два эксперимента. В первом производилось измерение магнитного поля вблизи медной пластины, находящейся под переменным потенциалом, во втором- вблизи стального шара.
Измерение магнитного поля в области переменного электрического
Сделаем оценку нормальной составляющей напряженности электрического поля E вблизи центра перезаряжаемой пластины. Используем известную из электростатики формулу:
E = |grad(φ)| ~ φ/d (1)
Где φ — потенциал пластины относительно земли, d — расстояние от точки измерения до пластины. Максимально возможная амплитуда импульсов с ГИ составляла 50 В. Напряженность электрического поля при этом на расстоянии 1 мм от пластины т.о. E ~ 5·103 В/м.
Согласно четвертому уравнению Максвелла, вокруг области переменного электрического поля должно существовать переменное магнитное, напряженность которого в воздухе задается выражением:
rot(B) = dE/dt (2)
Разобъем такую область на кусочки. Вокруг каждого, согласно (2), должны возникать кольцевые магнитные поля- см. рис. 1.
Затем, суммируя магнитные поля соседних кусочков, получим ноль. Т.о. в области однородного переменного электрического поля магнитного наблюдаться не должно. Однако, в реальных условиях необходимо учитывать граничный эффект. Область максимального магнитного поля над плоской пластиной должна иметь вид замкнутого контура- там, где максимален градиент электрического поля, см. рис. 1.
Кроме того над пластиной теоретически может происходить ослабление магнитного поля за счёт наложения магнитных полей токов смещения, текущих с обратной от пластины стороны. Для учёта чего магнитное поле измерялось также вблизи торцов пластины.
С другой стороны, как известно из электродинамики [4], электромагнитная волна в ближней зоне излучения еще не является сформированной, электрическое и магнитное поля в ней с высокой точностью изменяются независимо. Таким образом, уравнения Максвелла для этой зоны должны быть не применимы. И понятие тока смещения теряет физический смысл. Для разрешения этого противоречия проведены описанные ниже эксперименты.
На рис. 2 представлена функциональная схема экспериментальной установки.
С генератора импульсов Г5- 82 производилась подача прямоугольных импульсов положительной полярности (ПИПП) на медную пластину размером 115·150·1 мм. Вокруг пластины возникало переменное электрическое поле. Наблюдения магнитного поля вблизи пластины производились в ближней зоне. Для измерения магнитного поля вблизи пластины использовался датчик Холла Honeywell 840G- М. Датчик способен регистрировать магнитные поля до 840 Гс по одной координате. Время отклика датчика составляет 3 мкс, средняя чувствительность при НКУ 2,4 мВ/Гс. Далее сигнал усиливался на широкополосном усилителе УЗ-29 и подавался на осциллограф С1-73. ПИПП формировались длительностями 1 мкс; 1, 10, 100 мс и с задержками 6 мкс; 6, 60, 600 мс соответственно.
Производились измерения магнитного поля по трем координатам над разными участками пластины. Минимальное расстояние до датчика составляло 1 мм при измерении продольных составляющих магнитного поля и до 0.2 мм при измерении поперечной. По результатам всех измерений B = 0 ± 1 Гс. Плотность энергии магнитного поля таким образом составляет не более ~ 10-10 от плотности энергии электрического.
Во втором эксперименте вместо медной пластины использовался стальной шар диаметром 22 мм. Длительности импульсов составляли 1, 10 мс. Результаты измерения магнитного поля те же. Применим четвертое уравнение Максвелла для оценки магнитного поля вблизи поверхности шара. Ввиду сферической симметрии магнитные поля кусочков пространства над поверхностью перезаряжаемого шара все, кроме области токового подвода, целиком вычитаются. Т.о., в рамках классической электродинамики магнитное поле токов смещения вокруг шара и должно быть нулевым. Магнитное поле реальных токов, протекающих по шару, не наблюдается ввиду его малости: суммарная величина токов проводимости, текущих от ГИ по пластине или шару, не превышала 0,05 А.
Эксперимент с шаром не является столь показательным, как с пластиной. Однако, он наводит на мысль о том, что в пространстве, помимо электромагнитных волн могут распространяться волны электрического поля, т.н. электродинамические волны. Эти волны имеют продольный характер, т.к. электрическое поле- скалярное. Затухают они, очевидно, обратно пропорционально квадрату расстояния, и скорость изменения электрического поля в такой волне ограничена инерционностью среды распространения. Экспериментально такие волны наблюдались в работе [6].
Измерение электрического поля в области переменного магнитного
На рис. 3 представлена схема экспериментальной установки. Для создания переменного магнитного поля был выбран вращающийся постоянный магнит. Магнит стержневой, диаметром 10 мм и длиной 15 мм. Максимальная напряженность магнитного поля у торца 0,3 Т. Для приведения во вращение использовался электродвигатель QX Motor 5-24 V. Для измерения электрического поля применялась плоская прямоугольная антенна из меди, размерами 105·12·1 мм. Сигнал с неё поступал через усилитель на осциллограф.
Для калибровки антенна подносилась плоской частью к перезаряжаемому шару. При амплитуде электрических импульсов с ГИ в 50 В пиковое значение потенциала на антенне, находящейся на расстоянии 1 мм от шара, составило 0,25 В. Минимальное расстояние, на которое вращающийся магнит можно было поднести к антенне, составляет 1,5±0,5 мм. Магнитное поле на таком расстоянии по оси магнита составляет примерно 0,25 Т.
Обратная связь напряжённости переменного электрического поля с переменным магнитным задаётся вторым уравнением Максвелла:
rot(E) = -dB /dt (3)
При вращении магнита вектор B меняется как по амплитуде, так и по направлению, поэтому компенсации кольцевых электрических полей вокруг кусочков пространства вблизи магнита теоретически происходить не должно.
При измерениях в сигнале, снимаемом с антенны, было обнаружено две помехи. Первая на частоте 50 Гц от работающей аппаратуры вблизи установки. Вторая- помеха с частотой вращения магнита ~ 250 Гц. После снятия магнита с вала электродвигателя картина помех не менялась. Вторая помеха таким образом была вызвана переменным электрическим полем, наводимым зарядами в обмотке электродвигателя. Искомый потенциал на антенне от магнита составил φ = 0 ± 0,05 мВ. Искомое электрическое поле, соответственно, E = 0 ± 0,05 В/м. Плотность энергии электрического поля т. о. составляла не более ~ 10-5 от плотности энергии магнитного.
По результату эксперимента можно утверждать, что в пространстве, помимо электромагнитных и электродинамических должны наблюдаться волны магнитного поля, которые можно назвать «магнитодинамическими».
Моделирование распространения магнитодинамических волн
Линии магнитного поля диполя в пространстве, как известно, представляют собой вложенные торовые поверхности. Постоянный магнит можно считать диполем в некотором приближении. Если такой магнит привести в движение, в пространстве вокруг него образуется возмущение магнитного поля, распространяющееся с некоторой скоростью в разные стороны от магнита. Зависимость вектора напряженности магнитного поля от времени в каждой точке вокруг источника возмущения даст картину распространяющихся магнитодинамических волн.
Картину распространяющихся волн можно рассчитать строго математически, зная распределение поля вокруг неподвижного источника магнитного поля и характер движения источника. Любой источник можно разбить на элементарные магнитные диполи. Поле неподвижного магнитного диполя вычисляется по известным формулам. Движение диполя представляет собой перемещение в пространстве и вращение оси магнитного момента диполя. Таким образом, зависимость магнитного поля от времени на некотром расстоянии от диполя определяется шестью независимыми пространственными переменными. Переменные меняются непрерывно во времени. Затем, суммируя магнитные поля всех диполей источника с учетом экранирования и вторичных (наведённых) магнитных полей, получим искомую зависимость магнитного поля от времени в некторой точке. Рассчитав поля во множестве точек вокруг источника получим картину распространяющихся магнитодинамических волн.
Магнитодинамические волны являются поперечными, т.к. силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. Скорость изменения вектора магнитного поля в волне ограничена инерционностью среды распространения.
Если возмущение магнитного поля имеет периодический характер, можно говорить об его амлитуде, фазе и частоте.
Затухание магнитодинамических волн от диполя в вакууме обусловлено распределением магнитной энергии по увеличивающимся торовым поверхностям и происходит обратно пропорционально квадрату расстояния.
Рассмотрим вопрос о поляризации. Можно выделить два главных типа поляризации магнитодинамических волн. Первая- торовая, наблюдалась в дипольном приближении в (а). Её можно определить как поляризацию магнитодинамической волны, распространяющейся от одного магнитного диполя при его движении. Вектор B в каждой точке при этом перемещается по объемному контуру, форма которого зависит от характера движения диполя. При периодическом возмущении контур замкнут. Торовая поляризация может вырождаться в круговую на поясе безразличия магнитного диполя и в линейную- на его оси. Второй главный тип поляризации- смешанный, наблюдающийся от источника, состоящего из множества магнитных диполей.
Скорость распространения электрическго, магнитного, электромагнитного и гравитационного полей в теории относительности полагается равной c. Однако, экспериментов по измерению скоростей распространения электрического, магнитного и гравитационного полей в отдельности не проводилось. В связи с этим представляет интерес экспериментальное определение этих скоростей. Подобно тому, как в механике скорости распространения продольных, поперечных звуковых волн и вихрей (солитонов) различны, в физическом вакууме скорости распространения разных возмущений: электрического, магнитного, электромагнитного и гравитационного могут быть различны.
Наблюдение магнитодинамических волн в воздухе
Вначале было произведено измерение статического магнитного поля вблизи постоянного магнита. На рис. 4, 5 представлены зависимости напряженности магнитного поля от координат: по оси магнита и в перпендикулярном направлении.
В соответствии с формулой Био для плотности магнетизма стержневого магнита [7] они должны иметь экспоненциальный вид. Однако, для них лучше подходит степенная аппроксимация. Показатель степени в случае идеального магнитного диполя должен быть равен — 3. Для реального стержневого магнита он зависит от направления оси наблюдения спада магнитного поля, см. аппрксимирующие функции на рис. 4, 5.
Производилось наблюдение магнитодинамических волн от вращающегося стержневого магнита: в плоскости вращения- на расстоянии 15 ± 2 мм от торца, и по оси вращения — в 10 ± 2 мм от поверхности магнита. На рис. 6 представлены зависимости напряженности магнитного поля от времени для этих двух случаев.
Период следования импульсов составляет 4 ± 0,5 мс. Амплитуда импульсов совпадает с измеренными значениями магнитного поля неподвижного магнита, см. рис. 4 а, б. Узкие пики в случае (а) связаны с моментами прохождения торца магнита вблизи датчика. Вектор B при этом перемещается по касательным к торовым поверхностям, меняясь, как по модулю, так и по направлению. В случае (б) зависимость почти гармоническая, вектор B вращается по окружности, не меняясь по модулю.
Для магнитодинамических волн можно ожидать наличие эффектов, подобных оптическим. Так, искажение картины магнитных силовых линий при внесении неоднородности подобно дифракции э/м излучения. Возникновение вторичной магнитодинамической волны от магнитных диполей неоднородности подобно отражению э/м волны от границы раздела сред.
Наблюдение этих эффектов производилось при помещении длинного ферритового стержня диаметром 10 мм вблизи вращающегося магнита. Измерение магнитного поля осуществлялось датчиком Холла.
Фиксировалось усиление сигнала с датчика Холла в плоскости вращения магнита при поднесении ферритового стержня торцом вплотную к датчику с обратной от магнита стороны- до 2-х раз. Это вызвано концентрацией линий магнитного поля. Ослабление наблюдалось при поднесении ферритового стержня в область между магнитом и датчиком- до 5-ти раз, что вызвано отклонением магнитных силовых линий. При этом вблизи поверхности ферритового стержня обнаруживались слабые вторичные (наведённые) волны магнитного поля. При поднесении стержня импульсы «вытягивались» по вертикали, других искажений формы не наблюдалось.
Эффект, подобный дисперсии э/м волн, можно наблюдать, используя в качестве источника магнитную катушку. На обмотку следует подавать сигнал со спектром частот в ГГц диапазоне. Для отклонения магнитных силовых линий использовать феррит, характерное время намагничения которых ~ 10-9 с. Чем выше частота гармоники в спектре сигнала, тем меньше будет отклоняться ферритом соответствующая гармоника магнитодинамической волны вблизи катушки.
Описанные выше эффекты зависят от магнитных свойств материала, помещаемого на пути следования магнитодинамической волны. Помимо ферримагнетика для исследования искажения картины магнитных линий можно использовать другие магнитоактивные материалы.
Эффект, подобный интерференции э/м волн, можно наблюдать, например, от двух магнитных катушек, расположенных на расстоянии, большем длины волны. Технически это осуществимо в СВЧ диапазоне частот магнитодинамических волн от катушек.
Магнитодинамические волны в среде называются спиновыми [1,2,8]. Посредниками в передаче магнитного поля (течения) являются атомы среды. В вакууме же, согласно современным представлениям квантовой физики,- виртуальные частицы.
Заключение
Проведённые эксперименты по поиску переменного электрического поля в области переменного магнитного и переменного магнитного в области переменного электрического показали, что одно времяпеременное поле не порождает другое в пределах погрешности измерений. Из чего следует существование в пространстве, помимо электромагнитных волн, электродинамических и магнитодинамических. Проведено исследование свойств магнитодинамических волн в воздухе. Наблюдалось распространение волн от вращающегося постоянного магнита. При введении неоднородности на пути распространения магнитодинамических волн обнаружены эффекты, подобные дифракции и отражению э/м волн. Предложены четыре типа поляризации B волн. Ставится вопрос о скорости распространения магнитодинамических волн в вакууме. Описаны идеи экспериментов по наблюдению эффектов, подобных дисперсии и интерференции э/м волн, для магнитодинамических волн.
Источником магнитного поля в магнитоактивных материалах является нарушение симметрии электронных оболочек атомов, из которых они состоят. Для свободных элементарных частиц надёжного измерения магнитного поля не проводилось. Отклонения пучков заряженных частиц магнитным полем не означает наличие собственного магнитного поля у пучка в отсутствии внешнего поля. Поэтому магнитное поле элементарных частиц, связываемое с их спином, может быть вызвано внешним магнитным полем.
Для образования в пространстве электрического и магнитного полей необходимо наличие материальных частиц среды. Величина поля зависит от заряда частицы и характера её движения. В одних условиях сильнее проявляется электрическое поле, в других- магнитное. То же касается и возмущений (волн) в вакууме, наблюдающихся как электродинамические, магнитодинамические, электромагнитные (смешанные) и другие.
Вопрос о структуре фотона, кванта электромагнитного поля, на настоящий момент остаётся открытым. Представление о фотоне, как о волновом цуге, не раскрывает его структуры, т.к. не вводится понятия амплитуды фотона, основной характеристики волны. Также волновой пакет имеет свойство расплываться, что не обнаруживается для фотонов. Для исследования структуры электромагнитной волны (потока фотонов) следует провести точные измерения электрического и магнитного полей в пределах длины волны и исследовать воздействие сильного электрического и магнитного полей [9] на неё.
В заключение стоит сказать о технических применениях магнитодинамических волн. Спиновые волны в веществе уже широко применяются в технике- для передачи энергии и информации. Используются, как правило, магнитопроводы из материалов с высокой магнитной проницаемостью. В силовых трансформаторах, например, основным является передача магнитной энергии, а в жестких дисках компьютеров- информации.
В воздухе магнитодинамические волны используются для дистанционного заряда некоторых мобильных устройств- по принципу рядом расположенных магнитных катушек. Регистрация изображения различных предметов в магнитодинамических волнах (переменном магнитном поле) называется магнитографией (по аналогии с электрографией). Это даёт полезную информацию об окружающем мире в дополнение к фото, видео и электро- съемке. Регистрация прошедших через предметы магнитодинамических волн называется магнитотомографией. Полученные изображения позволяют получать дополнительную информацию о внутреннем строении предметов. Магнитография и магнитотомография уже используются для дистанционной диагностики оборудования из магнитоактивных материалов, например, трубопроводов и в медицине.