Взаимодействие МП с электрическими зарядами

Важнейшим взаимодействием в электродинамике является силовое взаимодействие МП с электрическими зарядами. Впервые это взаимодействие обнаружил Ампер в 1820 году. Он установил, что на провод с электрическим током в МП действует сила («сила Ампера»). Так как на провод без тока МП не действовало, то было очевидно, что сила Ампера – результат воздействия МП на движущиеся по проводу электроны. Анализируя эти результаты, Х. Лоренц построил теорию взаимодействия МП с одиночнымизаряженными частицами. Воздействие МП с магнитной индукцией B на частицу с зарядом q , движущуюся со скоростью v, определяется силой Лоренца

F_L=q[v,B]

(2)

Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как соотношение (2). Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то МП не может передать движущейся частице какую-либо энергию. Отсюда – широко распространенное убеждение, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Это утверждение вызывает недоуменные вопросы: а какая же сила поднимает тонны металлолома с помощью электромагнитов? Какова природа «пондеромоторных» сил взаимодействия между проводами с токами? И, наконец, сила Ампера, «работающая» во всех электродвигателях, разве она не магнитная?

Большинство специалистов по электродинамике лукавят, «не замечая» это противоречие. Но некоторые авторы добросовестно пытаются объяснить этот «парадокс» (см., например, [1]). Чтобы не исказить авторскую мысль, приведем полностью это объяснение: «…роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению ЭДС, оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии с высказанным … утверждением о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что <сила Лоренца> представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью <движения проводника>. Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода»[1,с.177]).

Аккуратный анализ такого объяснения показывает, что оно не устраняет противоречие. Я не стану приводить здесь этот анализ. Ограничусь лишь мысленным экспериментом, менее «научным», но достаточно убедительным.

Допустим, в магнитном поле В со скоростью v₁ движется проводник (Рис. 1). Чтобы создать ЭДС, нужно переместить свободные заряды (электроны) на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость v₂ вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: с появлением составляющей v₂скорость электрона стала бы равной v₀>v₁, что противоречит зависимости (2).

К силе Лоренца много претензий и у классической механики. Согласно зависимости (2) сила Лоренца в однородном магнитном поле «сворачивает» траекторию заряженной частицы в окружность, сохраняя при этом скорость частицы (ее кинетическую энергию). Но – согласно классической механике – материальный объект массой m , вращающийся с угловой скоростью ω, кроме поступательной энергии mv²⁄2 имеет еще и вращательную составляющую Jω²⁄2 , где J – момент инерции тела. Откуда она возьмется? Так что у силы Лоренца, похоже, нелады с законом сохранения энергии… Нетрудно понять, что зависимость (2) нарушает и другие законы сохранения – импульса, момента импульса, а в самом взаимодействии отсутствует сила, ответная силе Лоренца, которая ей «полагается» по 3-му закону Ньютона. Все эти соображения привели некоторых специалистов к заключению, что в электромагнитных взаимодействиях законы механики не работают (?!).

Таким образом, существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле! Но такая генерация – экспериментальный факт, который сегодня широко используется на практике! Специалисты-практики пользуются другими представлениями о природе электромагнитных взаимодействий. При этом они руководствуются исходными идеями, сформулированными еще основоположниками электродинамики. Вот что писал о свойствах магнитного (и электрического) полей Дж. Максвелл:

«<Фарадей> открыл, что в среде <содержащей поле> имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению веревки, в направлении силовых линий, соединенном с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных»[2].

В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как «натяжение» силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. «Упругими» свойствами линий поля объясняются механические воздействия на проводники с током в электромагнитном поле (так называемые «пондеромоторные силы»).

На рисунке 2,а показана положительно заряженная частица, движущаяся от нас воднородном магнитном поле B₀ . Она создает собственное магнитное поле B₁ , которое, складываясь с полем B₀ , образует неоднородное результирующее полеB=B₀+B₁ , градиент которого направлен вниз – в сторону более сильного поля. Это поле напоминает поле, представленное на рисунке 2,б. Рисунок взят из учебника Калашникова [3]. Так автор объясняет природу пондеромоторных сил, старающихся деформировать соленоид с током. Эта картинка отражает тот же механизм, что и рисунок 2,а. Разница лишь в том, что рисунок 2,б иллюстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника с током – силу Ампера, а на рисунке 2,а показано взаимодействие магнитного поля с полем одиночного движущегося заряда. В таком поле существует градиент магнитного «давления». В результате на заряд действует сила F_M, направленная противоположно этому градиенту. Можно показать, что по величине и направлению эта сила совпадает с силой Лоренца. Но это совпадение – лишь количественное. В отличие от силы Лоренца сила F_M – это сила магнитного давления, которая может совершать работу над движущимися заряженными частицами, обращая эту работу в ЭДС.

Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Если оставаться в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли «посредника», который передает усилие от внешнего поля заряду. Тогда взаимодействия магнитного поля с электрическими зарядами сводятся к силовому взаимодействию между магнитными полями. Таким образом, электромагнитные взаимодействия, которые мы сегодня условно называем «магнитными силами», следует считать истинно магнитными. В стороне остается вопрос, как это взаимодействие между магнитными полями передается собственно заряженной частице. Разрешение этой проблемы выходит за рамки данного исследования.

Замена силы Лоренца силой магнитного давления – это лишь «косметический ремонт» модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Например, выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.