Баллистическая



жүктеу 8.2 Mb.
бет8/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   99

Природа магнетизма

Опыт показал, что воздействия не мгновенны... Поэтому я счёл возможным дать распространению этих воздействий простое кинематическое истолкование, заимствованное из теории истечения света и удовлетворяющее принципу относительности движения. Фиктивные частицы постоянно испускаются во всех направлениях электрическими зарядами… Исходя из этих принципов получится вывести электродинамические силы, зависящие от скорости и ускорения, руководствуясь лишь кинематическими соображениями. Именно эту проблему, не решённую теорией Максвелла, Гаусс поставил в своём известном послании к В. Веберу.



Вальтер Ритц, "Критический анализ общей электродинамики" [8]
Что собой представляют электрические и магнитные воздействия? Современная физика, к несчастью, не может ответить на этот вопрос, оправдывая свою беспомощность ньютоновской отговоркой: «Довольно и того, что эти силы существуют и действуют согласно изложенным законам». И только баллистическая теория Ритца, как было показано выше, впервые в истории науки наглядно объяснила, как же взаимодействуют заряды: Ритц не просто описал электрическое взаимодействие, а нашёл его причины, начала - вскрыл механизм взаимодействия. Но как же он объяснил взаимодействие магнитное? Чтобы понять это, рассмотрим опять взаимодействие двух элементарных зарядов.

Напомним, как по Ритцу протекает взаимодействие двух электронов. Первый электрон излучает, выстреливает по всем направлениям со скоростью света c особые микрочастицы - реоны. Спустя время часть их долетает до второго электрона и поглощается им, причём каждый реон передаёт электрону элементарную порцию (квант) воздействия – стандартный импульс p. Полная сила отталкивания электронов F=np, где n – частота попаданий реонов в электрон, а p – импульс, передаваемый каждым реоном. Если скорость реонов - V, а их масса - m, то p=mV.

Частота попаданий в площадку S перпендикулярную потоку частиц находится как n= kVS, где k – концентрация частиц в потоке, а V – его скорость. Отсюда F= np= kV2Sm. Для электрона в потоке реонов (от неподвижного электрона) скорость частиц V=c, а S – площадь экваториального сечения электрона, откуда F= np= kcSp=kc2Sm. С удалением от электрона концентрация k выстрелянных им реонов убывает пропорционально квадрату расстояния (Рис. 11). Отсюда и следует закон Кулона: сила F отталкивания электронов спадает пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рис. 11. Один электрон действует на другой через посредство выстреливаемых им реонов R, воздействие которых спадает вместе с их концентрацией k пропорционально квадрату расстояния.

Так теория Ритца объясняет силу электростатического взаимодействия зарядов. Силы же магнитного взаимодействия, как известно, создаются движением электрических зарядов. Физики говорят, что в зависимости от движения зарядов часть их электрического поля переходит в магнитное и наоборот (поэтому говорят об электромагнитном поле, считая электричество и магнетизм лишь различными проявлениями его). Но как происходит этот переход, почему его вызывает движение зарядов, и что вообще такое магнетизм, современная физика объяснить не может. Теория же Ритца даёт на это простой и ясный ответ.

Мы выяснили, что два неподвижных заряда взаимодействуют с силой F= kc2Sm. Изменится ли эта сила при сближении зарядов? Как увидим, если один заряд движется, закон Кулона оказывается не вполне точен, что связано с конечной скоростью света, реонов, переносящих электрическое воздействие. В самом деле, пусть электрон, испускающий реоны, покоится, а другой движется ему навстречу со скоростью v. В таком случае скорость V, с которой реоны ударяются об электрон, будет, согласно классической механике, уже равна не c, но V=c΄=c+v. Соответственно вырастет и импульс, передаваемый реонами электрону и частота их ударов, а в конечном счёте и сила отталкивания одного электрона другим. Из-за увеличения скорости c встречного потока реонов до c΄=c+v получим F= k(c+v)2Sm. Сила вырастет по сравнению с той, что испытывали бы покоящиеся заряды на том же удалении. Напротив, расхождение зарядов уменьшит эту силу. Именно это небольшое изменение силы электростатического взаимодействия и воспринимается нами как магнитное воздействие. Причину этих изменений поясняет баллистическая модель: броневик, расстреливающий неподвижную мишень, увеличивает свою огневую мощь, когда быстро едет навстречу цели (Рис. 12). Ведь при движении к мишени растёт частота ударов и скорость пуль, а значит и сила ударов по мишени: пули барабанят по мишени чаще и сильнее. Ещё заметней будет эффект для пулемёта, установленного на самолёте, скорость которого уже сравнима со скоростью пуль.

Рис. 12. Подобно огневой силе движущегося броневика, повышена сила F взаимодействия сближающихся со скоростью v зарядов за счёт выросшей скорости c'=c+v и частоты ударов реонов R.

Далее рассмотрим заряженную нить и возле неё в т. O заряд q. Сила отталкивания заряда от нити F= qτ/2πε0r, где τ – линейная плотность заряда нити, r расстояние от заряда до нити, а ε0 – электрическая постоянная. Сила же взаимодействия заряда с малым участком нити M длиной dl, имеющим заряд τdl, даётся законом Кулона F= qτdl/4πε0OM2. Перпендикулярная нити составляющая этой силы выразится через углы φ и dφ как Fу= qτcos(φ)dφ/4πε0r (Рис. 13). Найдём, как изменится сила при движении заряда параллельно нити со скоростью v. По отношению к движущемуся заряду встречные реоны будут иметь скорость отличную от c: из c векторно вычтется скорость v заряда, и направлена скорость реонов будет уже не вдоль MO, а вдоль M΄O (вспомним звёздную аберрацию – отклонение лучей света от звёзд, вызываемое движением Земли [152]). Из треугольника скоростей OMM΄: c΄=(c2+v2–2cvsin(φ))1/2 или, разлагая в ряд и считая v/c малым, получим c΄≈с(1sin(φ)v/c+(v/c)2cos2(φ)/2). Соответственно меняется и сила: =F(c΄/c)2. Но поскольку сила меняет и направление ( действует вдоль ), то интересующая нас составляющая Fу изменится в несколько меньшей степени: Fу΄=Fу(c΄/c)=[1sin(φ)v/c+ (v/c)2cos2(φ)/2]cos(φ)dφqτ/4πε0r. Остаётся найти суммарную силу воздействия на заряд со стороны всех элементов нити, проинтегрировав Fу΄ в пределах φ от -π/2 до +π/2. В итоге, полная сила Fу΄= (1+v2/3c2)qτ/2πε0r= qτ/2πε0r+v2qτ/6πε0rc2. Первое слагаемое – это сила взаимодействия нити с покоящимся зарядом, а второе – это прибавка к ней, возникшая за счёт движения. Итак, движение заряда со скоростью v вдоль нити вызывает рост силы отталкивания (или притяжения) на величину v2qτ/6πε0rc2.

Рис. 13. Проекция F'y силы отталкивания заряда элементом длины dl бесконечной заряженной нити меняется при движении заряда пропорционально скорости c' реонов относительно него.

Этот результат имеет весьма важные последствия. Рассмотрим два параллельных проводника с сонаправленными токами. Поскольку ток в металле создаётся движением электронов, заменим каждый проводник движущейся отрицательно заряженной нитью (Рис. 14). У первой нити линейная плотность заряда -τ1 и скорость v1, а у второй, соответственно, -τ2 и v2. В целом проводники нейтральны, поэтому добавим неподвижные положительно заряженные нити +τ1 и +τ2 (они соответствуют положительным и неподвижным ионам металла).

Рис. 14. Представление проводников с током (а) комбинациями из пар заряженных нитей (б) позволяет выразить амперову силу их притяжения как сумму сил электрического взаимодействия нитей.

Найдём, с какой электрической силой Fэл первый проводник (нити +τ1 и –τ1) действует на элемент длины l второго проводника (нити +τ2 и –τ2). Fэл складывается из четырёх сил:

а) F1, действующей со стороны неподвижной нити +τ1 на неподвижный заряд +τ2l;

б) F2, действующей со стороны неподвижной нити +τ1 на движущийся заряд –τ2l;

в) F3, действующей со стороны движущейся нити –τ1 на неподвижный заряд +τ2l;

г) F4, действующей со стороны движущейся нити –τ1 на движущийся заряд –τ2l.

Скорость заряда q = τ2l относительно соответствующей нити равна для случая



а) нулю, и потому сила отталкивания F1= τ1τ2l/2πε0r (по формуле Fу΄);

б) v2, и сила притяжения F2= τ1τ2l/2πε0r+ v22τ1τ2l/6πε0rc2;

в) v1, и сила притяжения F3= τ1τ2l/2πε0r+ v12τ1τ2l/6πε0rc2;

г) (v1v2), и сила отталкивания F4= τ1τ2l/2πε0r+ (v1v2)2τ1τ2l/6πε0rc2.

Рис. 15. Вызванное движением зарядов изменение электростатической силы ведёт к созданию магнитной силы их взаимодействия.

Результирующая сила притяжения Fэл= F2+F3–F1F4= v1v2τ1τ2l/3πε0rc2. Таким образом, движение зарядов в проводниках нарушает баланс сил взаимодействия, силы перестают компенсировать друг друга. В результате проводники с током притягиваются, или же отталкиваются, если токи направлены в разные стороны (v1v2 отрицательно). Величина v1τ1 есть не что иное, как сила тока I1 в первом проводнике, а v2τ2 – сила тока I2 во втором. Учитывая это и применяя известное соотношение 1/c2 = ε0μ0, получим Fэл= μ0I1I2l/3πr. Но ведь похоже описывает взаимодействие параллельных токов и закон Ампера FА= μ0I1I2l/2πr, дающий, правда, величину силы в полтора раза большую (Рис. 15). То есть, магнитная сила имеет электрическую природу: проводники с током притягиваются, либо отталкиваются электрической силой равной силе Ампера с точностью до коэффициента 1,5. Эта разница коэффициентов вызвана тем, что в опыте измеряют воздействие не элементов тока, а замкнутых проводников. К тому же до сих пор точно не измерено отношение электрических и магнитных единиц, равное произведению скорости света на корень коэффициента в формуле Ампера [60, 152]. Отметим, что сам Максвелл, измерив это отношение, получил, что оно не равно c=3·108 м/с, а составляет в среднем 2,45·108 м/с. Это говорит в пользу коэффициента 1,5=(3·108/2,45·108)2.

Поскольку в опыте сложно изучать элементы тока, лучше проверять теорию, исследуя движение отдельных зарядов. Так, опыт показал, что в магнитном поле B заряд q, летящий со скоростью V перпендикулярной B, описывает окружности. Значит, на частицу действует постоянная сила Лоренца Fл=qVB, направленная к центру окружности. Проверим, так ли это в модели Ритца. Для этого снова разобьём прямой проводник с током I, создающим поле B, на положительно заряженную нить и движущуюся со скоростью v отрицательную. Тогда действие Fэл тока на летящий со скоростью V вдоль провода заряд сложится из двух сил (Рис. 16):



а) F1, действующей со стороны неподвижной нити +τ на подвижный заряд q;

б) F2, действующей со стороны подвижной нити –τ на летящий заряд q.

Рис. 16. Появление силы Лоренца в виде вызванной движением зарядов разности сил притяжения и отталкивания нитей.

Скорость заряда q относительно соответствующей нити равна для случая

а) V, и потому сила отталкивания F1q/2πε0rqV2/6πε0rc2;

б) V+v, и сила притяжения F2q/2πε0rq(V+v) 2/6πε0rc2.

Отсюда сила притяжения Fэл=F2–F1q(2Vv+v2)/6πε0rc2. Или, если учесть, что скорость движения зарядов V много больше скорости v дрейфа электронов, получим Fэл=qVvτ/3πε0rc2. Итак, за счёт движения зарядов силы F1 и F2 перестают уравновешивать друг друга, и проводник действует на заряд с силой, зависящей от тока I=vτ. В итоге Fэл=qVI/3πε0rc2, или с учётом 1/c20μ0 и известного выражения для поля тока B=μ0I/2πr найдём Fэл=qVB/1,5. Это с точностью до множителя 1,5 даёт силу Лоренца Fл=qVB. То есть и сила Лоренца имеет чисто электрическую природу. Ту же силу получим и для заряда, движущегося перпендикулярно проводнику. Раз сила Лоренца не зависит от направления движения заряда, то и по теории Ритца заряд должен описывать в магнитном поле B окружности, как того требует опыт.

Итак, надобность в магнитном поле отпадает, ибо то, что принято считать магнитной силой, всего лишь не скомпенсированная добавка силы электрической, созданная движением зарядов. В свою очередь эта добавка – естественное следствие баллистической модели взаимодействия зарядов и механического сложения скорости распространения света и электрического воздействия (по сути скорости реонов) со скоростью источника. Другими словами, как это утверждал ещё Ампер, согласно Ритцу магнитных сил и полей, вообще говоря, не существует. За их проявления мы ошибочно принимаем результат вызванного движением зарядов изменения электрических сил. Именно поэтому не удалось и никогда не удастся найти магнитные «заряды» – предсказанные Дираком монополи, существование которых казалось естественным следствием равноправия, обратимости полей и симметрии уравнений Максвелла. Выходит, что вопреки Максвеллу свет вполне может распространяться и без помощи магнитного поля. Наоборот, именно конечная скорость света, реонов и порождает магнитные эффекты.

Итак, баллистическая модель и теория Ритца не только согласуются со всеми электрическими и магнитными эффектами, но и позволяют в рамках классической картины мира понять их природу. Отметим, что идея влияния движения заряда на величину электрической силы и объяснение через это магнитных эффектов возникла уже очень давно. Задолго до Ритца (как он сам же замечает [8]) её высказал Гаусс и развил Вебер, ещё в середине XIX века построивший на её основе электродинамику, рассматривающую магнитные и индукционные силы как следствие изменения (при движении и ускорении зарядов) сил электрических [72, 106]. Причём электродинамика Ампера и Вебера долгое время принималась учёными и противопоставлялась теории Максвелла.

Но концепция Вебера была отвергнута, причём по иронии судьбы тем самым фактом, из которого должна бы была проистекать. Дело в том, что Вебер был сторонником теории дальнодействия, то есть мгновенного распространения воздействий, без помощи какого-либо промежуточного агента. А формулы свои, описывающие влияние движения на величину электрической силы, он не вывел, а эмпирически подобрал, основываясь на опытах [72]. А между тем, как было показано, их можно вывести строго, придерживаясь прямо противоположного принципа, – считая, что воздействие передаётся не мгновенно, а с задержкой, через некий промежуточный агент (реоны). Предположение же о мгновенной передаче воздействия с бесконечной скоростью реонов (c=∞), как легко проверить, привело бы, напротив, к постоянной, не зависящей от движения зарядов величине силы. Так Ритц обосновал подход Вебера и Гаусса и тем самым завершил процесс сведения магнитных эффектов к электрическим, начатый ещё Ампером. Именно Ампер впервые понял, что магнетизм - это фикция, и магнит представляет собой лишь набор элементарных молекулярных круговых токов, то есть, в конечном счёте, движение зарядов. Таким образом, правильнее говорить не о связи электрических и магнитных эффектов, а о том, что вторые - это лишь частное проявление первых. Интересно, что гипотезу Ампера об электрической природе магнитных сил, как следствия взаимодействия элементарных токов тел, выдвигали ещё Демокрит с Лукрецием, объяснявшие магнитное воздействие источаемыми телами микрочастицами (реонами § 4.19.).

Следует заметить, что теории Вебера и Ритца приводят к закону взаимодействия токов отличному от общепринятого. Так, считается, что магнитные силы всегда перпендикулярны токам (Рис. 17). Но это нарушает принцип действия и противодействия, особенно если один ток идёт вдоль, а другой поперёк соединяющей их линии MN – здесь одна из сил вообще нулевая. В теории же Вебера силы магнитного взаимодействия всегда равны и противоположно направлены. Да и сам Ампер, открывший взаимодействие токов, утверждал, что магнитные силы действуют вдоль линии, соединяющей элементы, а экспериментально найденный им и подтверждённый Вебером закон взаимодействия токов [106], равно как закон, вытекающий из теории Ритца, не совпадает с общепринятым закона Био-Савара-Лапласа, следующим из теории Максвелла.



Рис. 17. Нарушение 3-го закона Ньютона общепринятым законом взаимодействия параллельных (а) и перпендикулярных (б) токов: силы направлены под углом к MN, а в случае б в точке M сила вообще отсутствует.

Экспериментально же выявить ошибочность общепринятого закона до сих пор не удалось потому, что такой задачи никто не ставил. А ведь расхождение с законом Ампера-Вебера давно должно было к этому побудить. Конечно, опыты Ампера и Вебера трудоёмки, зато оборудование для них нужно самое простое. Впрочем, проблема состоит ещё и в том, что в опыте удаётся наблюдать лишь взаимодействие замкнутых токов, тогда как взаимодействие элементов тока никогда не наблюдалось. Точное установление в эксперименте действительного закона взаимодействия токов явилось бы самым простым и действенным доказательством Баллистической Теории Ритца. Другой способ проверки выводов электродинамики Ритца - это изучение движения в магнитном поле медленных зарядов, скорость которых сопоставима со скоростью дрейфа электронов. Тогда добавкой v2 в сравнении с 2Vv уже нельзя пренебречь, и возникнет заметное отклонение от закона Fл=qVB для силы Лоренца, которое можно будет зафиксировать. Более того, получается, что эта сила будет действовать даже на неподвижный заряд. Соответственно при пропускании тока через проводник мы могли бы наблюдать, что находящиеся рядом с ним металлические предметы слабо поляризуются. Однако такого рода экспериментов пока никто не ставил.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет