И. Мисюченко Последняя тайна Бога

сквозь плоскую поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно магнитному полю с индукцией 1 Тл. Каков физический смысл потока магнитной индукции? Изначально это было именно количество силовых линий, пересекающих площадку. В настоящее время в физической литературе этот вопрос стараются просто обойти молчанием. Ну есть поток и есть. Он как-то выражается, через него что-то можно посчитать. И ладненько. Важнее, что поток фигурирует в теореме Гаусса: поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю. Считается, что эта теорема отражает факт отсутствия магнитных зарядов, вследствие чего силовые линии не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми. Математически теорема Гаусса записывается как:

(3.10) ∫BdS = ∫Bn dS = 0 .

SS

Вэтом принято усматривать разницу между магнитным и электрическим полем и на основании этой разницы утверждать, что магнитное поле является самостоятельной сущностью. Между тем мало кто думает что если объявить силу Кориолиса, например, силой порождаемой особым полем, то мы получим практически всю теорию, разработанную для магнитного поля, и вполне можем уверовать в существование «поля Кориолиса». Но ведь на сегодняшний день хорошо понятно, что сила Кориолиса возникает от двух причин: суточного вращения Земли и инерции прямолинейно движущегося пробного тела. Так и «магнитное поле» есть порождение двух сущностей: наличия электрического поля у зарядов и факта взаимного движения зарядов.

Когда контур охватывает площадку несколько раз (многовитковая катушка), то поток магнитного поля через него считается умноженным в соответствующее число раз и называется почему-то уже не потоком, а потокосцеплением:

(3.11) Ψ = ΦN .

Видимо, такое положение дел установилось в результате попыток объяснения электромагнитной индукции, изучавшейся на примере соленоидов, т.е. многовитковых контуров.

§ 3.3. Магнитные свойства вещества. Самое немагнитное вещество

До сих пор мы рассматривали магнитное поле в вакууме (мировой среде, пленуме). И установили, что взаимное движение «магнитного поля» и зарядов приводит к силовому взаимодействию. Нам известно, что любое вещество являет собой систему «элементарных» зарядов. И заряды эти находятся в непрерывном внутреннем движении. Следовательно, вещество так или иначе должно реагировать на магнитное поле. И это действительно так. Опытный факт состоит в том, что если поместить во внешнее однородное магнитное поле образец из любого природного вещества, то напряжённость поля внутри этого образца будет отличаться от напряжённости внешнего поля. Это происходит потому, что внешнее магнитное поле наводит (индуцирует) в веществе собственное поле вещества, и мы имеем дело с суммой полей. Принято говорить, что все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются. Этот факт принято отражать особой характеристикой вещества – относительной магнитной проницаемостью μ . Она

показывает, во сколько раз меньше или больше суммарное поле в данном веществе стало

99

относительно внешнего поля. Магнитные свойства веществ определяются в основном магнитными свойствами электронов в атомах и отчасти магнитными свойствами ядер.

Мы особо хотим отметить тот факт, что в природе нет веществ с единичной магнитной проницаемостью. Если магнитная проницаемость меньше единицы, принято называть такое вещество диамагнетиком (поле в нём всегда меньше внешнего). Если она больше единицы, то такое вещество называют парамагнетиком (поле в нём больше внешнего). Бывают вещества (как правило, сложного состава), у которых огромные магнитные проницаемости. Такие вещества являются ферромагнетиками, ферримагнетиками, антиферромагнетиками и т.д. Мы намеренно не собираемся вдаваться в природу этих веществ и механизмы образования намагниченности, поскольку эти вещи неплохо описаны в существующей физической литературе и не являются существенными для целей данной книги.

Сообразительный читатель, мы полагаем, уже додумался до идеи смешать в некоторой определённой пропорции диамагнитное и парамагнитное вещество с тем чтобы получить вещество с единичной относительной магнитной проницаемостью. Без сомнения, это возможно теоретически. Но на практике в силу технических ограничений

всегда будет иметься какое-то остаточное отличие μ от единицы. К тому же окажется что для разных температур, давлений и влажностей эта остаточная величина разная. И только одно известное нам вещество имеет относительную проницаемость, в точности равную единице, – это вакуум (мировая среда, пленум). Кроме того, ещё М. Фарадей выяснил, что в магнитном поле плоскость поляризации света, проходящего через среду, претерпевает вращение. В диамагнетиках в одну сторону, в парамагнетиках в противоположную. И только в вакууме при любых магнитных полях не наблюдается эффекта Фарадея, т.е. плоскость поляризации света неподвижна. Какой же фундаментальный вывод мы можем сделать из вышеприведенных фактов? Без сомнения, напрашивается один главный вывод: вакуум амагнитен. То есть он индифферентен к магнитному полю. То есть не имеет никаких магнитных свойств.

Говоря о взаимоотношениях вакуума (эфира, пленума) с электрическим полем, мы отмечали, что он такой же диэлектрик, как любые другие диэлектрики, с той разницей, что он намного лучше их, идеальнее. В отношении магнитного поля мы так сказать не можем, а вынуждены констатировать, что вакуум абсолютно немагнитен. Почему всегда магнитны вещества? Потому что веществу по самой его природе неотъемлемо присуще внутреннее движение. Почему совершенно немагнитен вакуум? Видимо, следует признать, что внутреннее движение не является его собственным неотъемлемым свойством! То есть он может двигаться, а может и не двигаться.

А вот теперь, сделав этот существенный вывод об амагнитной природе вакуума, мы снова вынуждены усомниться в том, что то, что принято называть «электромагнитной волной», действительно волна. Все волны, изученные людьми до эпохи электромагнетизма, были устроены одинаково: кинетическая энергия движущейся материи переходит в потенциальную (как правило, связанную с взаимным расположением частей системы) и обратно. Так происходит распространение волновых возмущений. Казалось бы, нечто подобное усматривается и в распространении «электромагнитных волн»: энергия магнитного поля (а мы уже знаем, что это энергия движения зарядов, т.е. кинетическая) переходит в энергию электрического поля (энергия электрического поля связана с взаимным положением зарядов и, соответственно, потенциальна) и наоборот. Позже мы укажем на ряд обстоятельств, которые препятствуют восприятию «электромагнитной волны» как волны. А сейчас существенно вот что: коль скоро мы установили амагнитность вакуума, то, следовательно, нет никакой специфической внутренней энергии вакуума, связанной с «магнитным полем». В веществе – она есть, поскольку поле внутри вещества изменяется по отношению к внешнему полю. То есть в веществе более-менее понятно: есть внешнее магнитное поле, значит, появляется и внутреннее, отличное от внешнего. Нет внешнего – нет и внутреннего. В веществе, таким

100

образом, есть лазейка, через которую можно «создать» в нём «магнитную энергию». В вакууме такой лазейки нет, поэтому затруднительно производить преобразования потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию магнитного и обратно. А если вспомнить ещё более фундаментальный вывод, что магнитного поля и вовсе нет как самостоятельной сущности, то совсем уж становится непонятно, как может существовать такая сомнительная «волна». Разумеется, любой образованный человек возразит нам, что распространение такого явления, как «электромагнитная волна», весьма похоже на распространение настоящих волн, например, звуковых. Но разве похожесть законов распространения обязательно требует одинаковой природы явлений? Пули распространяются практически по законам геометрической оптики. Никаких сомнений. Так почему же в оптике по сей день не принята баллистическая гипотеза Ритца? А потому, что при современной организации науки приживается не самая яркая идея, и не самая простая, и даже не самая многообещающая. А приживается та, которая в нужное время оказалась в нужном месте.

§ 3.4. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Энергия магнитного поля

На проводник с током в магнитном поле действует сила, определяемая законом Ампера (3.5). Если предположить, что магнитное поле, в котором находится проводник с током создано другим проводником с током (ведь неважно, чем именно создано это поле, поскольку принято учитывать лишь одну силовую характеристику B ), то несложно установить, что сила, действующая на проводник с током I , в поле B будет равна:

(3.12) F = IBl ,

где l - длина проводника. Разумеется, магнитное поле полагаем перпендикулярным плоскости, в которой находится проводник. Если ничто не мешает проводнику двигаться, то под действием силы (3.12) он придёт в движение. Тогда работа, совершаемая над проводником, будет равна, по определению работы:

(3.13) dA = Fdx = IBldx = IBdS = IdΦ.

Здесь dx - величина малого перемещения проводника в пространстве. То есть работа по перемещению проводника в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.

Зададимся вопросом, кто именно совершил эту работу? Магнитное поле? Сам проводник? Ток? Источник тока? Проводник как таковой не имел энергии на совершение работы. Значит не он. Магнитное поле не изменилось. Видимо, не оно. Ток тоже не изменился, по условиям задачи. Значит и не он. Методом исключения остаётся источник тока. Как именно осуществилось совершение работы, по какому механизму, мы сможем выяснить только тогда, когда разберём явления электромагнитной индукции. Оказывается, источник тока совершает работу против сил электромагнитной индукции. Забегая вперёд, укажем, что в теории электромагнитной индукции получено выражение для энергии W контура с индуктивностью (коэффициентом самоиндукции) L :

(3.14) W = LI22 .

Зная, что в длинном соленоиде длины l , например, магнитное поле зависит от тока как:

101

(3.15) B = μμl0 NI ,

а индуктивность соленоида с площадью сечения S равна:

то полная энергия магнитного поля в соленоиде объёма V :

(3.17) W = B2 V = BH V , 2μμ0 2

где H = μμB0 напряжённость магнитного поля [А/м]. Что это за энергия?! Вне всякого

сомнения, это кинетическая энергия движущихся по определённым траекториям электронов в обмотке соленоида. Если электроны остановить (прекратить ток), то энергия может быть выделена и использована. Несложно вычислить для этого простого случая объёмную плотность энергии магнитного поля в соленоиде:

Считается, что эта формула верна для магнитного поля вообще. Любого. Всюду. Хотя конкретно в соленоиде эта энергия принадлежала не полю как таковому, а движущимся материальным частицам, электронам. Оторвав (3.18) от источника поля, физика уклонилась от здравого смысла. И объявила энергию магнитного поля объективно существующей, вне связи со своими материальными носителями – движущимися зарядами (движущимися электрическими полями).

Мы уже отмечали, что «энергия магнитного поля» проявляется только тогда, когда возникают явления электромагнитной индукции, т.е. изменения поля. Вне индукции – нельзя говорить об энергии поля. Разве что как о потенции, возможности. В то же время магнитное поле связано с движением зарядов, кинетической энергией. Это противоречие легко объяснить, отказавшись от реальности магнитного поля и сведя его к движению зарядов (электрических полей). Заряды – это материя. Если есть движущиеся заряды, то значит, движется материя. Следовательно, есть кинетическая энергия. Если попытаться изменить движение, то возникнут силы инерции и со временем совершат работу (глава 1). Вот и всё. Никаких загадок, никаких парадоксов.

§ 3.5. Парадоксы магнитного поля

Кроме уже упоминавшегося нами парадокса с самофокусировкой пучка заряженных частиц в собственном магнитном поле, современное понимание магнитного поля приводит и к другим парадоксам. Например, к невозможности существования бесконечно тонкого провода с током. Суть парадокса проясняется из рис. 3.1. Представим себе проводящую трубку с током I . Пусть сначала полный ток образуется двумя параллельными диаметрально расположенными одинаковыми токами I1 и I2 . Согласно

102

современным представлениям оба тока образуют одинаковые магнитные поля B1 и B2 .

Нетрудно видеть (рис. 3.1), что на оси трубки индукция магнитного поля должна быть тождественно равна нулю. Если мысленно разбить цилиндрический ток на множество диаметрально расположенных микротоков j , то для каждой пары сумма их магнитных

полей на оси будет равна нулю. Следовательно, магнитное поле цилиндрического тока на оси цилиндра (трубки) тождественно равно нулю. При любом диаметре трубки на её оси поле будет нулевым, т.е. отсутствующим. В бесконечно тонкой трубке при R → 0 , следовательно, одновременно и должно существовать бесконечно большое поле согласно выражению (3.6) и не должно существовать никакого поля согласно вышесказанному.

Рис. 3.1 К пояснению парадокса бесконечно тонкого провода с током

Эти утверждения логически несовместны, следовательно, бесконечно тонкие токи невозможны, хотя ими пользуются как инструментом при решении задач. Мы здесь не указываем на тривиальное обращение энергии поля бесконечно тонкого провода в бесконечность, поскольку наше отношение к «энергии магнитного поля» не позволяет нам апеллировать к этому понятию вообще.

Литература

1.Т.И.Трофимова. Курс физики. 9-е издание. – М.: Издательский центр «Академия», 2004 г.

2.Б. М. Яворский, Ю. А. Селезнев. Справочное руководство по физике. Для поступающих в вузы и для самообразования. М.: «Наука», 1989 г.

3.А.Н.Матвеев. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа. 1983.

4.Владимир Петрович Карцев. «Магнит за три тысячелетия». 4-е изд., перераб. и доп.

– М.: Энергоатомиздат, 1988..

103