(3 оценок, среднее: 4,67 из 5)
Загрузка...
Учебная работа № 1116. Дискретность электромагнитных волн
Дискретность электрических и магнитных потоков
Сложилась двойственная ситуация в физике с одной стороны, изза дискретности электрических и магнитных потоков индукции получается, что и электромагнитные волны, состоящие из этих потоков, также должны быть дискретными. С другой стороны, до сих пор существует миф, что нельзя объяснить причину дискретности электромагнитных волн.
«Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.378.
Электромагнитные волны состоят из электрических и магнитных потоков, которые дискретны, и если бы вдруг оказалось, что электромагнитные волны не дискретны, вот тогда это было бы необъяснимо. Квантом электрического поля (потока) является квант количества электричества. Квантом магнитного поля (потока) является квант количества магнетизма. Квантом электромагнитного поля (потока) является квант количества электромагнетизма фотон (электромагнитный квант).
«… за время dt электромагнитное поле переместится на расстояние udt. Магнитный поток uBdt выйдет за пределы контура 0AMN, а электрический поток uDdt за пределы контура 0QPT.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.16.
Электромагнитное поле излучения состоит из двух движущихся потоков электрического и магнитного. Получается, что если фотон это квант электромагнитного потока излучения, то и состоять он должен из кванта электрического потока и кванта магнитного потока. Т.е. дискретность энергии электромагнитных потоков излучения (квантов света) это следствие дискретности энергии электрических и магнитных потоков. В электромагнитной волне энергия электрического потока всегда равна энергии магнитного потока.
К сожалению, в учебной литературе слабо освещены вопросы, связанные с нестационарными электрическими и магнитными потоками и током смещения, отсюда иногда возникает непонимание при рассмотрении полевой структуры электромагнитных волн, поэтому постараюсь детально, насколько это возможно, рассмотреть электродинамику полевых процессов. Попытаюсь прочитать учебники как бы между строк, точнее между цитат, и проанализировать то, что из них логически вытекает, но скромно умалчивается.
Электрические поля излучения являются дискретными, так как дискретны вихревые электрические потоки. Единица электрического потока кулон, где квантом является элементарный электрический заряд.
«Электрическое поле излучения, в том числе поле в поперечных электромагнитных волнах, является чисто вихревым.»
Физическая энциклопедия. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
«Кулон … Единица потока электрического смещения (потока электрической индукции).»
Физическая энциклопедия. КУЛОН.
«Кулон это количество электричества, …»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.146.
Электрический поток, представляя полевую форму материи, измеряется в кулонах. Кулон это количество электричества (количество электрического потока). Единица кулон имеет дискретность, где элементарное количество электричества равно 1.602·1019 Кл и представляет квант количества электричества. Магнитный поток, также представляя полевую форму материи, измеряется в веберах. Вебер это количество магнетизма (количество магнитного потока). Электромагнитные волны состоят из определенного количества электричества и магнетизма, т.е. из электрических и магнитных потоков.
Поток электрического смещения (поток электрической индукции) измеряется в кулонах и представляет поток количества электричества, коротко электрический поток. Электрическая индукция (Кл/м2 ) это плотность потока количества электричества, коротко плотность электрического потока. Квант количества электричества элементарный электрический заряд, таким образом, квант заряда это просто квант количества электричества. Аналогично, магнитный поток измеряется в веберах, представляя поток количества магнетизма. Т.е. электрический заряд обладает количеством электричества в виде электрического потока, магнит обладает количеством магнетизма в виде магнитного потока.
Электрический заряд, поток электрического поля, поток вихревого электрического поля, поток электрической индукции, поток электрического смещения, возмущение электрического поля все измеряется в кулонах и по своей сути представляет электрический поток (различные формы проявления электрического потока). Все, что измеряется в кулонах, представляет количество электричества и обладает энергией электрического потока.
Электрический поток измеряется в кулонах и, так же как для зарядов, для электрических потоков действует закон сохранения. Т.е., если возникает поток в одном направлении, то, соответственно, возникает и поток в противоположном направлении. Если одно направление потока условно считать положительным, то противоположное будет отрицательным. Таким образом, если возникает поток, то, соответственно, возяникает и антипоток. Например, при продольном движении магнита у одного полюса возникает замкнутый электрический поток в одном направлении, а у другого в обратном.
Без представления об электрических и магнитных потоках нельзя обойтись при рассмотрении динамических полевых процессов, например, электромагнитных волн, когда электрических зарядов нет (нет заряженных частиц), но в пространстве происходит изменение полей, текут токи смещения все это можно описать и рассчитать с помощью полевых потоков индукции. Единицы измерения: электрический поток кулон, магнитный поток вебер, ток смещения ампер. Проще говоря, электрический поток это количество электричества, магнитный поток это количество магнетизма. Любой электрический ток связан с перемещением какогото количества электричества (Кл/с). Например, не может быть тока смещения без движения электрических потоков, так же как не может быть тока проводимости без движения электрических зарядов. Электродинамика позволяет рассчитывать полевые процессы, даже если потоки индукции не связаны с заряженными частицами. Надо заметить, что в электродинамике под термином «поток индукции» не подразумевают реальное течение в виде потока это такая же условность, как и другие термины, например, «поле» или «заряд», где нет ничего общего с сельским полем или пушечным зарядом. Возможно, некоторые термины не совсем удачные, так как создают ненужные ассоциации. Поток индукции это количество индукции, а так как индукция является векторной величиной (напряженность имеет направление), количество индукции условно представляют в виде потока, хотя на самом деле там нет никакого реального течения. Такие векторные потоки чисто условно можно представить как «замороженные», так как в них нет течения. Стрелочки же на индукционных линиях указывают не течение, а направление индукции (возмущения), так как поток индукции это поток вектора возмущения поля.
«… называют потоком вектора напряженности электрического поля E , хотя с этим понятием и не связано никакое реальное течение.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.25.
Всегда текут электрические токи проводимости и токи смещения (ток поанглийски сurrent текущий поток), а электрические заряды и потоки могут как покоиться, так и двигаться. Распространяется же электрический поток в пространстве всегда со скоростью света, представляя ток электрического смещения поля. Скорость распространения электрического потока зависит от среды, в которой движется поток. Например, при движении заряженной частицы вместе с ней движется электрический поток, который распространяется в пространстве со скоростью света, представляя ток электрического смещения поля Iсм = dФe /dt, где Фe электрический поток (поток электрического смещения поля).
Из электродинамики следует, что элементарный электрический заряд представляет элементарный электрический поток, так как частица, имеющая элементарный электрический заряд, это частица, имеющая элементарный электрический поток. При этом электрические потоки могут существовать самостоятельно, независимо от частиц, например, в виде вихревых электрических потоков, которые измеряются в кулонах, представляя количество электричества. Для сравнения: магнитные поля вообще не связаны с зарядами (нет магнитных зарядов), а количество магнетизма всегда представляет магнитный поток, который также является дискретным. Полевые потоки индукции представляют полевой вид материи, поэтому их дискретность является свойством полевой материи все поля имеют квантовую природу.
«… поле реально существует и в этом смысле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле обладает энергией, импульсом и другими физическими свойствами.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.10.
Поле может не иметь энергии, находясь в нулевом вакуумном состоянии, поэтому более точно: полевые потоки индукции обладают энергией (массой). Например, в вакууме потоки электрической индукции wэ = D2 /2e0 , потоки магнитной индукции wм = B2 /2m0 , потоки гравитационной индукции wг = G2 /8pg, где e0 электрическая постоянная, m0 магнитная постоянная, g гравитационная постоянная, w плотность энергии индукционного потока. Полевая энергия может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия гравитационного потока всегда имеет отрицательное значение, так как, чтобы уменьшить энергию гравитационного потока (по абсолютной величине), необходимо затратить энергию.
«… энергия гравитационного взаимодействия отрицательна, …»
О физике и астрофизике. В.Л.Гинзбург. 1995. С.123.
Плотность полевой энергии в пространстве это сумма плотностей энергии всех индукционных потоков:
wэмг = D2 /2e0 + B2 /2m0 G2 /8pg.
Поле едино согласно единой теории поля, различаются же только потоки индукции поля, т.е. единое физическое поле может проявляться в виде различных потоков индукции потока электрического возмущения поля, потока магнитного возмущения поля, потока гравитационного возмущения поля. Например, заряды образуют электрические потоки, движущиеся заряды магнитные потоки. Согласно современным представлениям, состояние поля с наименьшей энергией (по абсолютной величине) называется вакуумом. Таким образом, физический вакуум надо рассматривать как универсальное единое поле, в котором могут возникать полевые потоки индукции потоки возмущения поля, представляющие напряженность полевого пространства. Такое представление вакуума как универсальной полевой среды (полевого пространства) позволяет объяснить тот факт, что напряженность (возмущение) поля может существовать отдельно от частиц.
«… вакуум является универсальной средой, в которой возбуждается электромагнитное поле.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.11.
«Единая теория поля единая теория материи, …»
Физическая энциклопедия. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.
«Очень важную роль играет состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом.»
Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.
Таким образом, вакуум это полевое пространство, в котором отсутствует напряженность (возмущение). Напряженность поля обладает энергией, соответственно, поток напряженности обладает массой. Векторные поля имеют направление вектора напряженности, поэтому для таких полей введено понятие «поток». Например, электрическая индукция это плотность электрического потока Кл/м2 , магнитная индукция это плотность магнитного потока Вб/м2 . Таким образом, под «индукцией поля» всегда подразумевается «плотность потока индукции поля».
«Поток векторного поля одно из понятий теории векторного поля.»
Математическая физика. Энциклопедия. ПОТОК.
Векторное поле, в отличие от скалярного, всегда представляет поток возмущения. Т.е. все векторные поля это потоки, поэтому более правильным термином является не «электрическое поле», а «поток вектора электрической индукции» или, короче, «электрический поток», также не «магнитное поле», а «поток вектора магнитной индукции» или, короче, «магнитный поток».
«… поток вектора магнитной индукции, или, короче, магнитный поток Ф.»
Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.1. С.540.
Если не использовать термин «поток», то не всегда понятно поле скалярное или векторное, например, электромагнитное поле осцилляторов это скалярное поле, а электромагнитное поле излучения векторное поле.
«… электромагнитное поле может быть представлено как совокупность бесконечно большого числа гармонических осцилляторов.»
ОТФ. Квантовая механика. И.В.Савельев. 1996. Т.2. С.343.
«Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве.»
Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.343.
Т.е. электромагнитными волнами называются возмущения скалярного электромагнитного поля. Сами же распространяющиеся возмущения представляют векторные поля в виде электрических и магнитных потоков напряженности поля.
«Скалярное поле поле физическое, которое описывается функцией, в каждой точке пространства не изменяющейся при повороте системы координат.»
Физический энциклопедический словарь. СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ.
«Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое, а квантовая механика утверждает, что эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. … Слово «скаляр» означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши.»
Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)
Поле может находиться в двух состояниях, представляя скалярное или векторное поле. Невозбужденное состояние это скалярное поле, так как нет напряженности и, соответственно, нет зависимости от поворота системы координат. Возбужденное состояние это векторное поле, так как есть напряженность поля, которая имеет направление. Возбуждения поля образованы полевыми потоками индукции, представляющими напряженность (возмущение) поля. Например, состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом, представляет скалярное поле, так как нет зависимости от поворота системы координат. Т.е. с точки зрения физики правильнее называть не «вакуумное состояние поля», а «скалярное состояние поля», тем самым подчеркивая, что такое поле не чувствительно к направлению в пространстве, в отличие от векторного. Таким образом, разделение поля на два состояния вакуумное и возбужденное это разделение на скалярное и векторное. Любой поток индукции представляет возмущение поля и всегда зависит от поворота системы координат. Скалярное состояние поля не имеет потока