7.4. Электромагнитные явления и величины
Винтовое тороидальное кольцо распространяет в среде винтовое тороидальное движение, составляющие которого — тороидальное движение и кольцевое движение — отличаются друг от друга структурой, способом распространения и закономерностью распределения в пространстве.
Кольцевое движение эфира отождествляется с электрической индукцией.
Как видно из рис. 7.12, в вихревой трубке, образованной в среде винтовым тороидальным кольцом, потоки эфира движутся не только по кольцу в плоскости, перпендикулярной оси трубки, но и параллельно этой оси. При этом в центральной части вихревой трубки эфир движется от винтового тороида, а по периферии — к винтовому тороиду, так что общее количество поступательного движения эфира вдоль трубки в среднем равно нулю. Такое поступательное движение имеет большое значение, поскольку, будучи разным по величине и направлению на разных расстояниях от оси трубки, это движение создает различные значения напряженности винтового движения. На оси трубки винтовое движение имеет один знак, на периферии — противоположный. Как показано в работах [39, 40], суммироваться могут лишь винтовые потоки, у которых напряженность винтового движения постоянна и одинакова. Такое винтовое движение удовлетворяет уравнениям
Рис. 7.12. Вихревое nолe, создаваемое вихревыми винтовыми кольцами (электрическое поле)
при этом
т. е. вдоль линий тока отношение
Ничего подобного для вихревых трубок электрической индукции нет, следовательно, суммироваться потоки этих вихревых трубок не могут, а могут лишь развиваться в продольном направлении, скользя по поверхности друг друга, и смещаться в поперечном направлении под давлением соседних вихревых трубок.
Для одиночного заряда полный угол, занимаемый кольцевым движением, составляет 4
p, следовательно, для п трубок угол, занимаемый каждой из них, составляетпри этом для каждой трубки в соответствии с теоремами Гельмгольца [7, 8] на всем протяжении ее сохраняется для каждой элементарной струйки циркуляция и момент количества движения:
Давление, оказываемое на внесенный в трубку заряд (внесенное тороидальное винтовое кольцо), составит
т. е. это давление пропорционально плотности вихревых трубок электрического поля.
Рассмотрим заряженный конденсатор, на одной из пластин которого помещен заряд q,
а на другой -q. Наличие равных и противоположных по знаку зарядов означает, что на внутренней поверхности одной из пластин сосредоточено элементарных зарядовсоздавших поле из N
вихревых трубок, концы которых все входят во вторую пластину, т. е. число вышедших из одной пластины трубок равно числу вошедших во вторую пластину этих же трубок. Если бы заряды не были равны или имели один и тот же знак, такого равенства не было бы.Площадь поперечного сечения одной трубки составит (в среднем)
а скорость кольцевого движения по периферии трубки равна:
При изменении площади трубки за счет увеличения числа этих трубок — увеличения заряда на пластинах — плотность газа в трубках будет изменяться:
Как показано в [41—45], уравнение Бернулли применимо к винтовому потоку в целом. Разность давлений в элементарной струйке на периферии вихря и в свободном эфире составляет
а для вихревой трубки в среднем падение давления вдоль трубки по сравнению с давлением в свободной среде, если трубка имеет круговое сечение, разность давлений [23]
а для трубок некругового сечения
Здесь k —
коэффициент пропорциональности, зависящий от формы сечения трубки.Если же среда между пластинами приводит к изменению плотности эфира в трубках, то, поскольку расход газа в каждой трубке
получаем
где
e = r/r0 - относительная плотность эфира в вихревой трубке в диэлектрике.Общая сила, действующая на пластину конденсатора, равна:
а энергия конденсатора
Таким образом, физический смысл относительной диэлектрической проницаемости
e — отношение плотности эфира в вихревых трубках в среде (диэлектрике) к плотности эфира в вихревой трубке в вакууме (в свободном от вещества эфире).Рассмотрим движение электрона — винтового вихревого тороидального кольца уплотненного эфира в винтовом вихревом поле эфира — электрическом поле. Во-первых, попав в вихревое поле, созданное также винтовыми тороидальными образованиями эфира, электрон вынужден развернуться так, чтобы плоскость его кольцевого движения совпала с плоскостью кольцевого движения эфира в трубках. Во-вторых, под действием разности давлений, действующих на кольцо — электрон, последний должен начать свое движение вдоль оси вихревой трубки.
Очевидно, что при совпадении направлений кольцевого движения вихревого поля и электрона на той стороне частицы, которая обращена к полеобразующим вихрям, градиент скорости кольцевого движения будет меньше, чем с противоположной стороны, и поэтому давление
эфира на стороне, обращенной к источнику поля, будет больше, чем с противоположной. Эти давления определятся выражениями:со стороны источника
со стороны, противоположной источнику,
Разность давлений с учетом того, что
равна:
а сила, действующая на вихревое кольцо,
где S —
площадь кольца. Сила, действующая на единичный элемент покоящегося кольца, равна:где
; — напряженность вихря поля.
Для движущегося в направлении силы Е кольца сила, действующая на элемент кольца, будет уменьшаться на величину, пропорциональную относительной скорости движения кольца и скорости распространения кольцевого движения в свободной среде — скорости света, т. е. на величину va/с, следовательно,
и, таким образом, при vq
= скак бы ни менялась величина Е
0. Последнее означает, что с приближением скорости частицы к скорости света сила, действующая на частицу, уменьшается. Вообще какая-либо сила может действовать на частицу со стороны электрического поля только при наличии скольжения между частицей и полем (аналогично ротору асинхронной машины, находящегося во вращающемся магнитном поле статора). Этим принципиально может быть объяснен факт невозможности разгона заряженной частицы электрическим полем любой, самой большой напряженности до скорости света.Таким образом, получено выражение для напряженности электрического поля как силы, действующей на единичный заряд. Полагая, что частота вращения вихревых тороидальных колец постоянна, получаем, что напряженность электрического поля пропорциональна напряженности вихревого поля, т. е. числу трубок вихревого поля, приходящихся на единицу площади поля.
Если заряд помещен в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью
e, то так как плотность эфира в трубках вихрей электрического поля возрастает, а скорость кольцевого движения в них уменьшается (7.30), (7.31), то уменьшается и сила, действующая на частицу:Для конденсатора это выражение приобретает вид
а работа по перемещению этой частицы на расстояние d
составляети, таким образом, приходим к известным выражениям, связывающим заряд, емкость и напряжение на конденсаторе.
Следует отметить- следующее существенное обстоятельство для прохождения вихревых трубок электрического поля сквозь диэлектрик. Потоки газа в этих вихревых трубках представляют собой стационарное движение эфира, которое может привести лишь к постоянному смещению эфирных вихрей, из которых состоит само вещество диэлектрика, на некоторую величину, при этом на переходный процесс будет затрачена некоторая анергия. В остальном же наличие стационарного вихревого потока эфира в диэлектрике ни к каким колебаниям частиц вещества привести не может. Это означает, что энергия вихря не расходуется и имеет реактивный характер (энергия не переходит в тепло — энергию колебаний атомов).
Рассмотрим внутреннюю природу электрического тока. Как показано выше, на свободный вихревой тор с кольцевым вращением — заряженную частицу — действует сила, пропорциональная интенсивности кольцевого вращения вихрей поля. Под действием этой силы свободный вихревой тор приобретает ускорение в направлении оси вихревой трубки поля. Перемещение тора в пространстве заставляет эфир, находящийся перед этим тором, обтекать тор, оказывая при этом сопротивление его движению. Сопротивление среды выражается во встречном давлении эфира, оттесняемого движущимся тороидальным вихрем на периферию (рис. 7.13).
Давление эфира, находящегося за тороидальным кольцом и перед ним, имеет различную природу. Если давление на свободный вихрь — заряженную частицу со стороны поля — вызвано наличием кольцевого движения в трубках вихревого поля, то увеличение давления перед заряженной частицей вызвано ее движением. Следовательно, давление
Рис. 7.13. Образование присоединенных вихрей при продвижении винтового вихря (образование магнитного поля)
эфира перед движущимся тором вторично относительно давления позади этого тора. Увеличение давления перед тором вызывает увеличение сцепления эфира с тором, что в свою очередь вызывает появление дополнительного потока эфира, отбрасываемого вращательным движением кольца — и тороидальным, и кольцевым — на периферию. В результате на периферии должен образоваться вторичный присоединенный вихрь, структура которого тоже будет винтовой. Этот присоединенный вихрь движется вместе с заряженной частицей — электроном, но поскольку теперь площадь сечения системы электрон — присоединяющий вихрь стала больше, то, с одной стороны, и сила, воздействующая на эту систему со стороны вихревого поля возросла, с другой стороны, и сопротивление эфира, находящегося перед этой системой, также
возросло. Эфир теперь будет отбрасываться за присоединенный вихрь и, кроме того, поступать на периферию электрона, подпитывая уже образовавшийся вихрь, присоединенный ранее. Непрерывная подпитка заставит этот вихрь расширяться, что и воспринимается как образование и распространение магнитного поля при протекании тока.Образовавшиеся присоединенные вихри не могут перейти в область за электрон, как это было бы при отсутствии вихревых трубок электрического поля, перемещающих электрон и с ним всю систему присоединенных вихрей. Вихревые трубки электрического поля препятствуют этому. Однако если электрическое поле будет снято, то немедленно начнется такой переход, своего рода "игра вихревых колец", описанная Н. Е. Жуковским [43], при этом энергия вихрей тратится на перемещение электрона в том же направлении, в котором он двигался разогнавшим его электрическим полем. В этом проявляется механизм самоиндукции (рис. 7.14).
Рис. 7.14. Механизм самоиндукции
Целесообразно отметить одно интересное обстоятельство, связанное с образованием присоединенных вихрей. Для образования очередного вихря на периферии, на которые распадается вся система присоединенных вихрей, необходимо определенное количество эфира и энергии. Однако, начиная с некоторого минимума энергии, приходящейся на единицу длины присоединенного вихря, вихрь уже не может образоваться. Отсюда следует, что распространение магнитного поля от проводника, по которому течет ток, вызывающий это поле, носит предельный характер (рис. 7.15). Начиная с некоторой напряженности, возможно, очень малой, магнитные силовые линии перестают образовываться. Увеличение тока приводит к увеличению расстояния, на которое распространяется магнитное поле. Таким образом может быть разрешен энергетический парадокс прямолинейного проводника.
Изложенные предположения относительно несложно проверить, измеряя индуктивность при различных токах: с ростом тока, проходящего через индуктивность, при постоянной частоте индуктив-
Рис. 7.15. Предельность распространения магнитного поля вокруг проводчика с током
Рис. 7.16. Пересечение второго проводника вихревыми винтовыми линиями (электромагнитная индукция)
ность катушек должна несколько увеличиться. Сами измерения следует при этом проводить при предельно малых токах.
При образовании внешних присоединенных вихрей возможно слияние нескольких присоединенных вихрей в общий вихрь, на что обратил внимание академик В. Ф. Миткевич [33]. Такое слияние возможно потому, что в отличие от вихревых трубок электрического поля, в которых суммарное перемещение эфира вдоль трубок равно нулю, вихревые трубки магнитного поля имеют поступательный поток вдоль оси трубки по всему
сечению трубки, при этом для всех трубок магнитного поля параметр l=w/v постоянен. Постоянство параметра для всех трубок магнитного поля определяется тем. что образование вихревых трубок магнитного поля происходит в результате закручивания потоков эфира поверхностью электронов, для которых параметр l также постоянен.Изложенная модель существенно отличается от модели, предложенной Миткевичем. Здесь электрон является не малозначащим сопутствующим фактором, как это следует из предположений Миткевича, а основным условием создания магнитного поля. Без свободных электронов весьма слабое магнитное поле можно получить только на переходных процессах при изменении электрического поля.
Рассмотрим процесс электромагнитной индукции при наведении ЭДС на проводник другим проводником, по которому течет ток. Как показано выше, движение электронов в проводнике сопровождается возникновением присоединенных винтовых вихрей эфира — вихревых трубок магнитных полей. Если на некотором расстоянии от одного проводника расположить второй проводник, параллельный первому, то он будет пересечен вихревыми трубками эфира.
Если в первом проводнике течет постоянный ток, то присоединенные к нему вихревые трубки располагаются в пространстве на одном и том же расстоянии от этого проводника, смещаясь в направлении осей обоих проводников, но не пересекая второй проводник в направлении, перпендикулярном ему.
Если же ток в первом проводнике меняется, то изменяется соответственно и число присоединенных к нему вихревых трубок, которые и пересекают второй проводник, при этом сцепление эфира с трубкой увеличивается на передней (набегающей) стороне трубки и уменьшается на задней (сбегающей) ее стороне (рис. 7.16). Соответственно увеличивается скорость потока эфира, текущего вдоль вихревой трубки на набегающей стороне, и уменьшается скорость потока на сбегающей стороне. В результате за счет разности скоростей эфира, текущего вдоль трубки по обеим ее сторонам на расстоянии, равном диаметру трубки, создается циркуляция
Рис. 7.17. Механизм электромагнитной индукции
Рис. 7.18. Наведение ЭДС от одиночного проводника (а) и от рамки (б) во втором контуре
что эквивалентно появлению ЭДС в направлении, перпендикулярном направлениям оси вихревой трубки магнитного поля и ее перемещению в пространстве, т. е. в направлении оси второго проводника.
Совершенно эквивалентно происходит наведение ЭДС на проводнике при пересечении его постоянным магнитным полем (рис. 7.17). В этом случае
где l
— длина участка проводника, пересекаемого вихревыми трубками. Видно, что в обоих случаях ЭДС пропорциональна числу вихревых трубок, пересекающих проводник в единицу времени.На основании изложенного можно сделать представление о механизме взаимоиндукции между двумя витками трансформатора. При параллельном расположении двух рамочных витков напротив друг друга и пропускании тока через первый виток на втором витке будет наводиться некоторая ЭДС (рис. 7.18). Магнитное поле, возникающее вследствие изменения тока в проводнике первой рамки, распространяясь, пересекает два провода второго витка. В результате в обоих проводах второй рамки возникают вторичные ЭДС, направленные в одну и ту же сторону, но вычитающиеся в контуре. Поскольку одна из сторон рамки расположена ближе к проводу первой рамки, чем противоположная, ЭДС в ней будет больше, чем на второй, расположенной дальше, т. е. будет существовать некоторая разность ЭДС, пропорциональная току в первичной обмотке и длине взаимодействующих сторон:
Здесь M1
и М2 - коэффициенты взаимоиндукции проводников. Если в пространство окна рамки ввести стальной сердечник, то магнитное поле, пересекающее проводник второй рамки, отделенный от проводника первой рамки стальным сердечником, уменьшится, благодаря экранирующему действию стали; противо-ЭДС упадет, а ток во второй рамке возрастет.Из изложенного следует, что роль стального сердечника в трансформаторе состоит не в созданий магнитного потока в сердечнике, а в ослаблении потока, приходящего на проводник с противоположной стороны рамки, т. е. в ослаблении интенсивности вихревых трубок магнитного поля.
Учитывая реактивный характер энергии магнитного поля, приходится считать, что ослабление вихрей после сердечника может происходить лишь в результате уменьшении скорости движения эфира в вихревых трубках, выходящих из стального сердечника в свободное пространство. Такое уменьшение скорости в вихревых трубках возможно лишь в том случае, если скорость гютоков уменьшена уже в самом стальном сердечнике. Это может произойти только в том случае, если плотность эфира в вихревых трубках, проходящих в стали, увеличивается. Отсюда следует, что магнитная проницаемость магнитных материалов есть отношение плотности эфира в магнитных трубках в магнитном материале к плотности эфира в магнитных трубках в свободном эфире, т.е.
на что было обращено внимание еще Максвеллом [23].
Рассмотрим движение электрона в магнитном поле. Магнитное поле само по себе никак не может влиять на ориентацию электрона вследствие взаимного уравновешивания всех сил, воздействующих на электрон со стороны поля.
В самом деле (рис. 7.19, а), в области I
имеет место притяжение вихрей за счет вращения потоков эфира в плоскости рисунка, но отталкивание за счет вращения газа, так как направление сопрягаемых потоков газа одинаково - в сторону, перпендикулярную плоскости рисунка. В области II все наоборот - отталкивание вихрей проис-Рис. 7.19. Уравновешивание давлений, действующих на электрон в магнитном поле
ходит за счет вращении потоков газа в плоскости рисунка, а притяжение — за счет противоположного направления движений газа в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Учитывая, что наклон потоков относительно осей магнитного поля и кольцевой оси электрона составляет 45°, силы, действующие на каждый элемент электрона, равны нулю. Аналогично обстоит дело и в случае развернутого в плоскости рисунка вихревого кольца электрона (рис. 7.19, б).
Положение существенно меняется, если внешней силой, например электрическим полем, электрону придано поступательное движение со скоростью v .
В этом случае к скорости потока эфира в электрическом поле vП по поверхности кольца добавляется скорость поступательного движения электрона. Разность скоростей, лежащих в плоскости чертежа в области I, составита в области II
соответственноКвадраты их соответственно равны:
Разность скоростей в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, соответственно равна:
Квадраты разностей скоростей
Запишем квадраты скоростей в области I
и разность квадратов скоростей в обеих областях
Рис. 7.20. Появление отклоняющей силы при движении электрона в магнитном поле
В соответствии с уравнением Бернулли имеем
и, следовательно,
Сила, действующая на электрон, определяется выражением
что и соответствует закону Лоренца для движущегося в магнитном поле электрона. При этом, как видно из рис. 7.20, сила перпендикулярна направлению движения электрона.