Теоретическое исследование и интерпретация некоторых вопросов, связанных с движением электромагнитной энергии, на основе теории относительности. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Докучаев, В. И.

• Докучаев, В. И.
• 1970

Оглавление диссертации Докучаев, В. И.

I. ВВЕДЕНИЕ. V

Глава I. О ДВУХ ВОПРОСАХ, СВЯЗАННЫХ СДВИЖЕНИЕМи ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ, В СВЕТЕ РЕЛНТЙШСТВКОЙ в ТЕОРИИ. О

§ I.Экспериментальные основания и некоторые осногнне 0 следствия теории относительности. о

§ 2«Релятивистские преобразования координат и электромагнитных полей. Парадокс Эренфеста и его . объяснение. /г

§8.0 релятивистском эффекте изменения концентрации движущихся зарядов.

§ 4,0 разложении плотности потока электромагнитной энергии на произведение плотности энергии и его ,. скорости. ч

Глава П. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ.Н

§ I.Уравнения преобразования Лоренца и скорость движения потока электромагнитной энергии.Ч ь

§ 2.Скорость пробных заряженных частиц в направлении . движения потока электромагнитной энергии.5 У

§ 3.Тепловые потери в проводящем теле при его ускорении в электромагнитном поле.

§ 4.Плотность энергии в потоке электромагнитной энергии.6 V

§ 5.Разложение потока энергии на два невзаимодействующих потока в общем случае, когда

§ б.Взаимодействие проводников с потоком электромаг- ., нитной энергии.?

§ 7.Движение энергии в пространстве вокруг изолированных проводников с током.7 J

§8.06 электромагнитной массе электрона. Ю

§ 9.Скорость движения потока электромагнитной энергии в коаксиальном кабеле и его связь с волновым и нагрузочным сопротивлениями.#

Глава Ш. ВОВНШОБЕНИЕ ПОТОКА ПОЛЯ СИЛЫ ЛОРЕНЦА ЧЕРЕЗ ЗАМКНУТЫЕ ПОВЕРХНОСТИ, ОКРУ1АХЖЙ1 ДВИЖУЩИЕСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЦЕПИ С ТОКОИЙ ЕГО СВЯЗЬ С РЕЛЯТИВИСТСКИМ СОКРАЩЕНИЕМ *>+

§ I. Опыт электромагнитной индукции и проблема а„ Престона-Фарадея.if

§ 2. О возникновении поля униполярной индукции в лабораторной системе координат.

§ 3. Униполярная индукция и возникновение отличного от 0 потока поля силы Лоренца через поверхность, окружающую вращающиеся вокруг оси симметрии магниты л или электромагниты.9$

§ 4. Возникновение поля силы Лоренца при возбуждении а0 электрического тока в изолированных проводниках.

§ 5. Релятивистское изменение концентрации движущихся зарядов и его связь с возникновением поля силы лл Лоренца (линейный вариант задачи).№

§6. Релятивистское изменение концентрации электрических зарядов при их движении по замкнутой траектории. .10$

§ 7. Проблема Престона-Фарадея и релятивистская теория.1И

§ 8. Униполярная индукция и пинчевые силы с точки зрения возникновения потока поля силы Лоренца.12.5"

§ 9. О практическом использовании потока поля силы Лоренца, возникающего при возбуждении тока в изоли- ,1Л рованных проводниках.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое исследование и интерпретация некоторых вопросов, связанных с движением электромагнитной энергии, на основе теории относительности.»

Современной физической теорией пространства и времени является теория относительности, впервые сформулированная А.Эйнштейном в начале нашего столетия. Теория относительности не только объяснила существовавшие до нее противоречия в физическом мировоззрении, но и предсказала множество новых явлений и закономерностей природы, которые впоследствии были блестяще подтверждены экспериментально и используются практически. Теория оказалась настолько плодотворной, что разработкой ее следствий и приложений занимаются до настоящего времени больше научные коллективы и отдельные ученые во всех странах.

Настоящая работа посвящена двум вопросам теории электромагнитного поля, развиваемым на базе теории относительности: возникновению потока поля силы Лоренца через замкнутые поверхности, окружающие вращающиеся электрические цепи с током, и кинематическому описанию движения потока электромагнитной энергии, описываемого вектором Пойнтинга. Выгоды, полученные в работе, могут рассматриваться в качестве непосредственных следствий теории относительности.

Диссертация состоит из трех глав.

В первой главе излагаются некоторые основные экспериментальные основания теории относительности и трансформационные соотношения для пространственных координат, времени, электромагнитных полей и плотностей электрических зарядов, которые необходимы при рассмотрении вопросов, рассматриваемых в двух последующих главах. Приводится обсуждение рассматриваемых соотношений с позиции вопросов, исследуемых в диссертации.

Глава П посвящена вопросу о кинематическом описании движения потока электромагнитной энергии. На основании трансформационных соотношений для электромагнитных полей показано, что скорость потока электромагнитной энергаи, описываемого вектором Пойнтийга S :: fj^ £ £ • И,] , где £ и И произвольные по величине и направлению электромагнитные поля, должна в общем случае лежать в диапазоне ох 0 до скорости света С . йссле^ дование тепловых потерь в ускоряемых скрещенными полями f и ^ проводниках с позш^ близкодействия и локальности взаимодействий приводит к тому же выводу. Рассмотрен вопрос об асимптотической скорости релятивистской пробной заряженной частицы, внесенной в ускоряющий ее поток электромагнитной энергии, и показано, что частица всегда приобретает через достаточно большой промежуток времени скорость увлекающего ее потока. Показано,что поток энергии, образованный невзаимоперпендикулярными электромагнитными полями представляет из себя суперпозицию невзаимодействующих друг с другом потоков, в каждом из которых электрические и магнитные поля взаимоперпендикулярны.

Особое место в главе П отводится вопросу о плотноети электромагнитной энергии в потоке. Показано, что плотность энергии в потоке должна равняться полной плотности электромагнитной энергии, равной сумме плотности энергии и давлению электромагнитного поля в направлении потока энергии, которое численно равно энергии натяжения электромагнитного поля. Полная плотность энергии, отражающая инерционные свойства потока, подчиняется закону трансформации массы-энергии Эйнштейна. В заключение этой главы дается теоретическое обоснование известного в теории электромагнитного поля вопроса о том, что электромагнитная масса движущегося электрона в 4/3 раза больше его электростатической массы, и в качестве примера находится скорость движения потока энергии в коаксиальной линии передачи постоянного тока и ее зависимость от волнового и нагрузочного сопротивлений линии.

В третьей главе рассмотрено ранее неизвестное явление возникновения потока поля силы Лоренца, которое могет быть обнаружено при изменении скоростей равноименных зарядов в замкнутых изолированных областях пространства. Рассмотрены два аспекта этого явления: возникновение указанного потока в эффекте униполярной индукции Фарадея и при возбуждении электрического тока в замкнутых изолированных проводниках. Показано, что исследуемое явление следует из уравнений электромагнитного поля и теории относительности при переходе от одних вращающихся систем координат к другим, в том числе и к покоящейся системе координат. Приводится как электротехнический подход к вопросу, так и релятивистский, откуда видно, что явление обусловлено изменением наблюдаемых концентраций разноименных электрических зарядов при изменении их скоростей в системе координат, в которой производится наблюдение. Показано, что этот эффект является прямым следствием релятивистского сокращения вращающихся окружностей и может быть использован для непосредственного экспериментального подтверждения этого сокращения. Рассмотрена роль потока поля силы Лоренца в силах пинчевания сильноточных газовых проводников и влияние заземления проводников после возбуждения в них электрического тока.

В приложение к работе вынесены описания двух проведенных экспериментальных наблюдений и обсуждение метода поэлементного интегрирования с тоски зрения закона Био-Савара.

В первой эксперименте исследовался вопрос о возникновении поля униполярной индукции в лабораторной системе координат. Во втором эксперименте проведена качественная проверка явления возникновения яоренцовского электрического поля при возбуждении импульсного тока в изолированном металлическом кольце, теоретическое обоснование которого дается в Ш главе настоящей работы.

Все математические выкладки, проведенные в тексте, выполнены в системе Гаусса, как наиболее удобной для теоретического изложения. Электрические и магнитные поля исследовались в вакууме, где £ и уЦ равны I, ввиду чего в^формулах не делалось различия между индукциями полей ^ и fa и их напряженностями I и Н> .

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Докучаев, В. И.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе дается теоретическое исследование и интерпретация двух вопросов из теории электромагнитного поля, проведенное на базе теории относительности.

Применение релятивистских трансформационных соотношений для электромагнитных полей позволило создать законченную кинематическую картину движения потока электромагнитной энергии, описыдействия с заряженными частицами и проводниками с током.

Из теории электромагнитного поля было известно, что оно обладает такими кинематическими характеристиками, как плотность потока энергии, плотность импульса, плотность момента импульса и плотность массы-энергии. В работе показано, что поток энергии может описываться также и скоростью движения, как и любая движущаяся материальная среда. Эта скорость в общем случае произвольг* ных по величине и направлению электромагнитных полей ь и Н* в заданной точке пространства и в заданный момент времени лежит в диапазоне от 0 до скорости света С . Движение электромагнитной энергии со скоростью света С есть лишь крайний частный случай движения энергии, реализующийся в электромагнитной волне, где векторы 2 и R взаимоперпендикулярны и равны по величине. Во всех же остальных случаях, осуществляемых в области практической электротехники, где упомянутые условия вообще говоря не выполняются, скорость движения потока электромагнитной энергии меньше скорости света С . Так, в электрических машинах средняя скорость движения потока электромагнитной энергии в обвоемого вектором Пойнтинга и его взаимо ласти обмотки ротора машины обычно лежит в диапазоне от метров до сотен метров в секунду. Теоретически вычисленная скорость потока энергии целиком согласуется с известными экспериментальными фактами и имеет четкое физическое содержание.

Инерционные свойства потока электромагнитной энергии описываются полной плотностью энергии в потоке, равной сумме плотности энергии и плотности упругой энергии электромагнитного поля. Этот вывод, в частности, непосредственно следует из тензора энергии-импульса движущейся сплошной материальной среды. Только полная плотность энергии электромагнитного поля трансформируется в согласии с законом Эйнштейна Wn = { - ^ и подчиняется уравнениям Лагранжа и Гамильтона, описывая кинематические свойства движущегося потока электромагнитной энергии.

В связи с развитой картиной движения потока электромагнитной энергии и его инерционными свойствами дается объяснение известного в теории поля вопроса о том, что масса движущегося электрона в 4/3 раза больше его электростатической массы. Как показано, в работе, этот вывод обусловлен инерционными свойствами электромагнитного поля.

Таким образом, анализ движения потоков электромагнитной энергии с позиции теории относительности приводит к релятивистским кинематическим закономерностям, полностью описывающим движение электромагнитной энергии на основе релятивистской механики движущихся сплошных сред.

Далее показано, что из трансформационных соотношений для электромагнитных полей и плотностей электрических зарядов следует вывод, что возможно создать условия, когда ноток поля силы Лоренца через замкнутые поверхности, окружающие вращающиеся с различными угловыми скоростями замкнутые электрические цепи с током, может меняться. Этот эффект наблюдается в явлении униполярной индукции и в силах пинчевания сильноточных газовых проводников. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и при возбуждении электрического тока в замкнутых проводниках. Рассматриваемый вывод является следствием возникновения добавочной концентрации электрических зарядов Р = (т?- J) в движущихся со скоростью —• —*

It и имеющих отличную от 0 плотность тока j участка проводника.

Возникновение описанного в работе потока поля силы Лоренца при возбуждении электрического тока, в частности, в изолированном кольцевом проводнике, является прямым следствием релятивистского сокращения длины вращающейся окружности. Несмотря на малость потока, возникающего при возбуждении в проводниках обычных токов в десятки ампер, при увеличении тока через проводники се2 чением ^ 1мм до тысяч ампер, что возможно осуществить при применении сверхпроводников, явление становится доступным измерению и его экспериментальное обнаружение может послужить первым непосредственным экспериментальным доказательством релятивистского сокращения движущихся масштабов.

В заключение пользуюсь случаем выразить свою искреннюю благодарность канд. ф-м. н. Сенкевичу А.А., к.т.н.Ступину А.А. и другим научним работникам, принимавшим участие в обсуждении вопросов, рассмотренных в настоящей диссертации.

Список литературы диссертационного исследования Докучаев, В. И., 1970 год

1. А.Эйнштейн. К электродинамике движущихся тел, 1905 г. Собрание научных трудов, т.1, изд. "Наука", Москва, 1965г.

2. В.Пановский и М.Филипс. Классическая электродинамика, пер.с англ. Госуд. изд. физико-математич. лит-ры, Москва, 1963г.

3. Меерович Э.А. Методы релятивистской электродинамики в электротехнике, 1966 г. Изд. "Энергия" М.-Л.4.

4. И- kit&iiviiiic Kintwiul t Coc-fcU , , /J <6 г, У I.

5. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теория поля, изд. 3-е, переработанное, гос. изд. физико-математич. лит-ры, Москва, 19ь0г.

6. Соколовский Ю.И. Теория относительности в элементарном изложении. Изд. второе, переработанное, изд. "Наука", Москва, 1964г.

7. V. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения, изд. 2-е Госуд. изд. физико-математической лит-ры, Москва, 1961г.

8. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике, т.5. Изд. "Мир", Москва, 1966г.

9. Терлецкий Я.П. Парадоксы теории относительности. Изд-во "Наука", 1966г. Москва.

10. Будкер Г.И. "Атомная физика", й 5, 1955г.

11. Мальтц , vfita ЭЕЕЕ" , июль 1966г.

12. Беккер Р. Электронная теория. М-Л. 1941г.

13. Эггиманн, |( ^ УЕЁЕ ,январь 1966г.

14. Большая Советская Энциклопедия. Закон сохранения заряда.

15. И.Е.Таим. Основы теории электричества, Гостехиздат, 1946г.

16. М.А.Леонтович. Эволюция представлений о магнитных и электрических силовых линиях, УФН т.ХШУ, вып.4, декабрь 1964г.

17. Фейнман Р., РЛейтон, М.Сэндс, Фейнмановские лекции по физике, т.10, изд. "Мир", Москва, 1966г.

18. В.Ф.Миткевич. Магнитный поток и его преобразования. Изд. АН СССР, 1946г.

19. Л.Б.Слепян. Вектор Умова и вектор Пойнтинга. Записки Северозападного заочного политического института № 2, 1957г.

20. Л.Б.Слепян. Электромагнитный вектор Умова и поле линии электропередачи. Электричество, 1958г., К 8.

21. О.Б.Брон. Электромагнитное поле как вид материи. Госэнерго-издат, 1962г.22. fr^iUj ? 0* tL ccnnecZioiA 4е£\л/ееи

22. Cuit&ut aW Же t&c,i>ut a**/мамке^с LV\ o( utile v\ tU

23. PAiijvw.of Hoy. u." fat i, IW, f. 2П.

24. Я.И.Френкель. Электродинамика. Г.Т.Г.И. 1934.

25. О.Б.Брон. Поток электромагнитного поля. ЦБТИ, 1958г.

26. О.Б.Брон. Поток электромагнитного поля. Электротехника, 1958г., Ш 2.

27. М.Планк. Введение в теоретическую физику.

28. В.Паули. Теория относительности, ОГИЗ, 1947г.

29. О.Д.Хвольсон. Курс физики. Петербург, 1914г., т.1.

30. Г.А.Лоренц. Теория электронов. Гос.изд.технико-теоретич. лит. Москва, 1953г.

31. Н.А.Умов. Уравнения движения энергии в телах, избранные сочинения, гоетехиздат, 1950г.

32. Бергман П.Г. Введение в теорию относительности. Госуд.изд. иностранной литературы. Москва, 1947г.

33. А.Зоммерфельд. Электродинамика, изд. ин.лит-ры, Москва,1958г.

34. Сир^Л ЛК. Ubipotak, VHbtlihei . diioci&iiOH

35. Х.Альфвен. Космическая электродинамика. Изд.иностр.лит. Москва, 1952г.

36. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред ОГЙЗ, 1948г.

37. Компанеец А.С. Теоретическая физика.

38. Д.Иваненко и И.Соколов. Классическая теория поля.

39. Калашников С.Г. Общий курс физики для университетов. Электричество. Изд. 2-е, изд.физматгиз, 196 г.

40. А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевский, С.Р.Троицкий. Униполярные элект§ические машины с жидкометаллическим токосъемом. Изд.Энергия, осква-Ленинград, 1966г.

41. Bid** MiobLo > н С.г.-W.ici ''1967г., 265, № 8, А244-А247. О релятивистском преобразовании энергии протяженных тел.41. Z^lc ь if.1966г.» 34, Ш 3, Электромагнитная масса классического электрона.

42. Тоннелла М.А. Основы электромагнетизма к теории относительности. Изд. иностр.лит., Москва, 1962г.

43. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники, ч.З. Теория электромагнитного поля. Изд.,,Энергияи, Москва, 1969г.

44. А.Эйнштейн. К парадоксу Эренфеста. Собрание научных трудов, тД. Изд."Наука", Москва, 1965г.

45. А.Эйнштейн. Формальные основы общей теории относительности. Собрание научных трудов, т.1. Изд."Наука", Москва, 1965г.

46. У.И.Франкфурт. Специальная и общая теория относительности. Издательство "Наука, 1968г., Москва.

47. Кемйо* К. Coutanf ti tefaii-vlte у^оишШ lAvo^t cfoi шсбшНuKtpe^tLWi „ JtUiv. StU*iiet",l№9 10,£4, p. S4S-S?3

48. Погожев G.A. К вопросу об униполярных машинах. Сб.научных трудов Ивановского энергетического института, вып.7, 1957г.

49. А of- tfu ЦBEE" т.53 Ш II ноябрь 1965г. стр.2000. Джепперт. Скорость переноса энергии электромагнитными волнами.50. > Отсутствие взаимодействия между статическим электрическим и магнитным полями.1966, 34, № 2, 162.

50. Сугаи. Применение преобразований Лоренца к уравнению для скорости переноса энергии, ТИИЭР Ш 5, 1967г., стр.141.

51. UvbUeM 1о№и if ttwftrt'i bbJxbdox. joi ft uMiv-Htlcoliik. n Xnovo dчиеи-io", Hit, ПН, p. 415 ЧЪЛ.

52. Клеиенс Шенфер. Теоретическая Физика, т.Ш, ч.1-я, ОНИ НКТП СССР, 1937г.

53. Костин Б.В. Новое об униполярной индукции, "Электричество". 1939г., К» 10-11

54. Jl. УиЛ , 'fica*e* If Hut Vtti*. i-M*5. \ " bs, Л, нъ,p. /S2> IS'i

55. Л, if, Я>илаоЕ. ёъреьу-^U wUjic&-tio«i of tU -tAaSy tfid&tiviU- ' ,S(*> Zl>/1. Jsm , f>. i*-n57. ^eo* W. Qovjitiiha Vedn. ihfi&teh. „ Jtoesi. if. . " /3(7 , 5 5", J11 , d. IOS4-I03S.

56. Д.В.Скобельцын. Парадокс близнецов в теории относительности. Изд. "Наука", Москва, 1966г.

57. А.Н.Матвеев. Электродинамика и теория относительности. Изд. "Высшая школа", Москва, 1964г.

58. Л.Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. Электромагнитные поля и волны. Изд. "Советское радио", Москва, 1956г.

59. ТИИЭР fe 10, 1969г. Шульц-Дюбуа. Скорость распространения волн в диспергирующей среде.

60. Докучаев В.й. Кинематика движущегося потока электромагнитной энергии, доклады, прочитанные на заседаниях секции физикив мае-июне 196ьг. Издательство сборника: МОИП Горный институт, М., 1967г.

61. Докучаев В.И. Об эффекте возникновения "избыточного электрического заряда", Радиоэлектроника летательннжоаппаратов, физический раздел, Ш I, 1970г. Издательство Харьковского государственного Университета.

62. Заев Н.Е., Докучаев В.И. О поведении линий поля вращающегося магнита, ж.Электричество № 5, 1963г.ж