Электродинамическое взаимодействие

 

2 Вихревое электрическое  поле

 

При изменении тока смещения образуется вихревое электрическое поле. Если рядом с витком тока расположить, например, сверхпроводящий контур, то в нем за счет обратного объемного тока электрического смещения синхронно, но в обратном направлении возникает индукционный ток.

Также самоиндукция связана с обратными токами смещения, с запаздыванием распространения  возмущений. При остановке зарядов  обратные токи смещения, еще некоторое  время продолжая течь (как возмущения поля), воздействуют на заряды.

Чтобы не задумываться о том, что электрическое воздействие (возмущение) распространяется в пространстве с конечной скоростью, вводятся линии магнитной индукции и рассматривается взаимодействие с ними электрических токов. Линии магнитной индукции не являются силовыми линиями (линиями действия силы), например, направление вектора магнитной силы, возникающей между параллельными проводниками с постоянным током, не совпадает с направлением линий магнитной индукции. Также в данном примере видно, что магнитное поле не является вихревым, так как у вихревых полей работа сил при движении по замкнутой линии может быть отлична от нуля, что является признаком вихревого поля. Вихревые поля могут возбуждать вихревые электрические токи. Таким образом, постоянное магнитное поле является соленоидальным, но не вихревым.

Работа сил вихревого электрического поля или вихревого магнитного поля при движении электрического заряда или магнита по замкнутой линии  может быть отлична от нуля. Например, в электромагнитных волнах электрические и магнитные потоки являются вихревыми [5, с. 197].

Магнитное поле, хотя соленоидально, но не всегда является вихревым. Надо заметить, что некоторые авторы книг по электродинамике  путают соленоидальные поля с вихревыми, индукционные линии с силовыми. У электрического поля, действительно, индукционные линии совпадают с силовыми, но это никак не относится к магнитному полю, где индукционные линии не всегда совпадают с силовыми линиями действия поля.

Также по линиям магнитной индукции, например, невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита в случае, когда магнит и заряд находятся в покое, т.е. по линиям магнитной индукции невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся заряд в переменном магнитном поле. Представляя магнитное поле линиями токов смещения, таких проблем не возникает. По силе, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита, можно определить направление тока смещения в конкретной точке магнитного поля. Изменение любого электрического тока всегда связано с электрической напряженностью.

Магнитное поле, непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение.

Данное правило по сути является неверным, так как не учитываются  токи смещения (магнитное поле вообще не действует на покоящиеся заряды). Правильной же является такая формулировка: переменное магнитное поле представляет переменный ток электрического смещения, который проявляется как вихревое электрическое поле и оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды. Например, если покоящийся заряд находится в центре соленоида, то при включении или выключении тока в соленоиде на заряд не действует сила, несмотря на то, что изменяется поток магнитной индукции, так как в центре соленоида ток смещения отсутствует и, соответственно, отсутствует вихревое электрическое поле. Достаточно взглянуть на примеры в учебниках, из которых видно, что ток смещения в центре соленоида отсутствует.

Пример. Найти плотность тока смещения как функцию расстояния r от оси соленоида.

Таким образом, в центре соленоида  переменное магнитное поле не оказывает  силового действия на покоящиеся электрические  заряды и не приводит их в движение. Ось соленоида – это «мертвая» линия магнитного поля, вокруг которой текут электрические токи смещения. Такая «мертвая» линия имеется у любого магнита.

Для примера рассмотрим также другой эксперимент, где электромагнитная индукция возникает «без магнитного поля».

В центральной точке между двумя  электромагнитами, где магнитное  поле, согласно принципу суперпозиции полей, равно нулю, установлен пробный  электрический заряд.

 

                                                         [N] (+) [S]                                                         4,

 

[N] и [S] – полюса двух электромагнитов, (+) – пробный положительный электрический заряд.

Если электромагниты выключать  по отдельности, то на заряд будет  действовать сила, направленная вверх.

При одновременном выключении электромагнитов  на заряд также будет действовать  сила, направленная вверх, хотя магнитное  поле в точке, где находится заряд, всегда будет оставаться равным нулю. Т.е. в точке, где находится заряд, магнитное поле не изменяется и всегда равно нулю, но тогда почему на заряд действует сила? Парадокс с электромагнитной индукцией можно объяснить присутствием токов смещения, которые текут в одном направлении и складываются согласно принципу суперпозиции. Обнаружить токи смещения можно по силе действующей на заряд в момент включения или выключения электромагнита. Данный пример показывает, что переменный ток смещения, действует на покоящийся электрический заряд даже в тех точках поля, где нет магнитной индукции. В приведенном примере электромагниты можно заменить на постоянные магниты, которые раздвигаются симметрично относительно покоящегося заряда. Также можно привести и другие примеры, например, возникновение индукционного тока внутри трубки, по которой течет переменный ток, хотя магнитная индукция внутри трубки отсутствует. Т.е., рассматривая переменные магнитные поля, необходимо учитывать не только магнитную индукцию, но и токи смещения.

Магнитное поле внутри провода, имеющего вид трубки, отсутствует, но индукционный ток возникает, т.е. изменяющийся ток смещения проявляется как вихревое электрическое поле. Плотность обратного постоянного тока смещения в центре прямого провода бесконечной длины, имеющего вид трубки [3, с. 243]:

 

                                                             j_см = -I/2 π r²                                                     5,

 

где r - радиус провода, I - постоянный ток  в проводе.

В пространстве вокруг магнита (в магнитном  поле) непрерывно текут токи электрического смещения, которые можно обнаружить, например, как вихревые электрические поля при включении и выключении электромагнита, так как вихревые электрические поля представляют переменные (вихревые) потоки электрического смещения, а это есть переменные токи электрического смещения.

У магнитного поля между обкладками конденсатора линии магнитной индукции имеют противоположное направление. Например, сверхпроводящий контур между обкладками конденсатора имеет противоположное направление тока, так как токи смещения между обкладками конденсатора «прямые», а не «обратные» (Рисунок 3).

  .-->--.   .--<--.   .-->--.

  |     | | |     | | |     |

  |     | | |     | | |     |

  `--<--' | `-->--' | `--<--'

------>----|         |---->------

  .--<--. | .-->--. | .--<--.

  |     | | |     | | |     |

  |     | | |     | | |     |

  `-->--'   `--<--'   `-->--'

 

Рисунок 3 – Сверхпроводящий контур между обкладками конденсатора

 

Надо заметить, что вихревое электрическое  поле между обкладками конденсатора возникает только в момент изменения  тока, а в тот период времени, когда ток смещения постоянный, вихревое электрическое поле отсутствует и в контуре круговой ток не возникает, поэтому между током смещения и круговым током в контуре имеется сдвиг фаз, если контур не сверхпроводящий.

Также направление линий магнитной  индукции между обкладками конденсатора можно определить по повороту рамки (контура с током), если синхронно подать переменный ток на конденсатор и рамку. При одновременном изменении тока момент силы в рамке сохраняет свое направление. В процессе заряда и разряда конденсатора по его обкладкам течет электрический ток; зная, что проводники притягиваются, когда направление тока совпадает, можно представить, как развернутся рамки с током между обкладками конденсатора – ориентация рамок указывает направление линий магнитной индукции. На рисунке показано, как развернутся рамки с током, стрелки – направление токов (Рисунок 4).

 

  .--<--.  |  .-->--.  |  .--<--.

  |     |  |  |     |  |  |     |

  |     | /\  |     |  \/ |     |

  `-->--'  |  `--<--'  |  `-->--'

------>-----|           |----->------

  .-->--.  |  .--<--.  |  .-->--.

  |     | \/  |     |  /\ |     |

  |     |  |  |     |  |  |     |

  `--<--'  |  `-->--'  |  `--<--'

 

Рисунок 4 – Развернутые рамки  с током

 

Во многих случаях магнитное  поле удобнее представлять линиями электрического тока смещения или как движущиеся электрические потоки, тем самым из-за наглядности уменьшается вероятность технических ошибок. Например, в учебной литературе направление линий магнитной индукции между обкладками конденсатора изображено неправильно - в обратную сторону. Видимо, за всю историю магнетизма на самом деле никто экспериментально не проверил направление линий магнитной индукции между обкладками конденсатора (не было практической необходимости, хотя проверить не сложно). Надо заметить, что направление магнитной индукции между обкладками конденсатора можно просто определить по правилу возникновения магнитной индукции: если ладонь левой руки расположить так, чтобы четыре пальца указывали направление движения электрического потока, а вектор D входил в ладонь, тогда отставленный большой палец укажет направление вектора B (B = π ₀[vD]). Т.е., чтобы определить направление линий магнитной индукции, достаточно рассмотреть движение электрических потоков, связанных с зарядами, которые движутся в обкладках конденсатора. Остается надеяться, что авторы книг по электродинамике учтут замечания и исправят обнаруженные ошибки. Рассмотрим еще один пример. Возьмем два цилиндра, один из которых имеет электрический заряд, а другой представляет собой постоянный магнит. Если закрепить их на одной оси, проходящей через центр цилиндров, как изображено на рисунке, и начать вращать (синхронно и в одном направлении), то в зависимости от направления вращения цилиндры будут либо притягиваться, либо отталкиваться, так как заряженный цилиндр будет своим вращением создавать круговой электрический ток и, соответственно, магнитное поле. Нарушение симметрии между правым и левым вращением относительно полевого пространства позволяет построить электромагнитный датчик, измеряющий направление и скорость вращения.

 

  .-------.   .-------.

  | + + + |   |       |

===| + + + |===| S   N |===

  | + + + |   |       |

  `-------'   `-------'

 

Рисунок 5 – Электромагнитный датчик

 

  .-------.   .-------.   .-------.  

  | + + + |   |       |   | - - - |

===| + + + |===| S   N |===| - - - |===

  | + + + |   |       |   | - - - |

  `-------'   `-------'   `-------'

 

Рисунок 6 – Уравновешивания электрического притяжения магнит можно поместить симметрично между двумя разноименно заряженными цилиндрами

  .-------.   .-------.   .-------.

  |       |   | + + + |   |       |

===| N   S |===| + + + |===| S   N |===

  |       |   | + + + |   |       |

  `-------'   `-------'   `-------'

 

Рисунок 7 – Заряженный цилиндр можно поместить симметрично между двумя магнитами

Вращательное движение магнита, в  отличие от прямолинейного движения, не создает вихревого электрического поля, т.е. между вращающимися цилиндрами возникает только сила Лоренца, по которой  можно определить направление и  скорость вращения. При одновременном прямолинейном движении возникающая сила Лоренца между магнитом и зарядом уравновешивается вихревым электрическим полем, которое создает движущийся магнит, образуя в пространстве изменяющееся магнитное поле (изменяющийся магнитный поток). При вращательном же движении цилиндрического магнита с осью вращения, проходящей через полюса, вихревое электрическое поле не возникает, так как магнитное поле в пространстве не изменяется. На этом принципе могут действовать различные конструкции автономных электромагнитных датчиков вращения относительно полевого пространства, для которых не нужны внешние ориентиры, например, такие датчики могут быть использованы в космосе.

Переменное магнитное поле всегда связано с переменным током смещения, который проявляется в виде вихревого электрического поля, поэтому: переменные электрические и магнитные поля не могут существовать друг без друга.

Изменение плотности тока электрического смещения проявляется как вихревое электрическое смещение (электрическая напряженность).

Потоки электрического смещения поля измеряются в кулонах, поэтому распространяющиеся изменения поля (движущиеся потоки) представляют собой ток смещения. Потоки бывают постоянные (электростатические поля), переменные и вихревые. Вихревое электрическое поле – это вихревой поток электрического смещения поля, что представляет переменный ток смещения. Постоянное магнитное поле – это постоянный ток смещения, не представляющий вихревое электрическое поле, поэтому оно не действует на покоящиеся электрические заряды; распространяющиеся изменения электрического поля (движущиеся потоки) являются постоянными – ток смещения постоянный. Замкнутый постоянный ток смещения, так же как и ток в сверхпроводящем кольце, не создает электрической напряженности поля.

 

Заключение

 

Хотя приведенное описание процессов  не является достаточно полным и безупречным, оно дает представление о механизме  электромагнитной индукции. С другой стороны, более привычно представлять электродинамические взаимодействия через дополнительную характеристику – индукцию магнитного поля, отсюда название – электромагнитные взаимодействия, хотя реально в природе существует только электрическое поле, а магнитное поле образовано движущимися электрическими потоками B = π ₀[vD] и связанными с ними токами смещения.