рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

О физическом смысле векторного потенцила электромагнитного поля

О физическом смысле векторного потенцила электромагнитного поля - раздел Физика, О Физическом Смысле Векторного Потенциала Электромагнитного Поля Сидоренков В...

О ФИЗИЧЕСКОМ СМЫСЛЕ ВЕКТОРНОГО ПОТЕНЦИАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Сидоренков В.В. МГТУ им. Н.Э. Баумана Показано, что поле электромагнитного векторного потенциала как физическая величина представляют собой полевой эквивалент локальных ха-рактеристик микрочастицы: ее электрическому заряду, кратному кванту электрического потока - заряду электрона, соответствует электрическая компонента векторного потенциала, а удельному (на единицу заряда) кине-тическому моменту, кратному кванту магнитного потока, отвечает маг-нитная компонента векторного потенциала.

Полевая концепция природы электричества является фундаментальной основой классической электродинамики [1] и базируется на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических заря-дов осуществляется с помощью электромагнитных полей.Свойства этих по-лей описываются системой электродинамических уравнений Максвелла, от-куда непосредственно следуют и понятия электрического и магнитного век-торных потенциалов, физический смысл которых, несмотря на определенный прогресс в установлении их физической значимости в приложениях кванто-вой механики [2, 3] и электродинамики [4, 5], по сей день остается по суще-ству так и не выясненным.

Попытаемся разобраться в этом вопросе, для чего воспользуемся сис-темой указанных уравнений электромагнитного поля [1]: (a) , (b) , (c) , (d) . (1) включающей в себя так называемые материальные соотношения: , , , описывающие отклик среды на наличие в ней электромагнитных полей.

Здесь и  векторы напряженности электрического и магнитного полей, связанные с соответствующими векторами индукции и ,  вектор плотности электрического тока,  объемная плотность стороннего заряда, и  электрическая и магнитная постоянные, , и  удельная электрическая проводимость и относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, соответственно. Представления о векторных потенциалах возникают как следствие то-го, что дивергенция ротора любого вектора тождественно равна нулю. По-этому магнитный векторный потенциал можно ввести посредством ди-вергентного соотношения системы уравнений (1), а электрический  соотношением , описывающим поляризацию локально электро-нейтральной среды: а) , (b) . (2) Однозначность функций векторных потенциалов, то есть чисто вихре-вой характер таких полей, обеспечивается условием калибровки: . Видно, что с физической точки зрения рассматриваемые потенциалы являют-ся поляризационными потенциалами.

Тогда подстановка соотношения (2a) в уравнение вихря электрической напряженности (1а) приводит к известной формуле [1, 2] связи поля вектора указанной напряженности с магнитным векторным потенциалом: , (3) описывающей закон электромагнитной индукции Фарадея.

Электриче-ский скалярный потенциал: здесь не рассматривается, как не имеющий отношения к обсуждаемым в работе вихревым полям.При аналогичной подстановке соотношения (2b) в уравнение вихря магнитной напряженности (1c) с учетом закона Ома процесса электропро-водности получаем в итоге связь этой напряженности с электри-ческим векторным потенциалом: , (4) где  постоянная времени релаксации электрического заряда в среде за счет электропроводности.

Таким образом, согласно соотношениям (3) и (4), векторные потенциалы – это не математические фикции, а физиче-ски значимые фундаментальные поля, порождающие традиционные вихре-вые электромагнитные поля. Подробное обсуждение физической значимости векторных потенциалов в классической электродинамике представлено в ра-ботах [4, 5]. Поскольку взаимодействие электрических зарядов реализуются по-средством электрических и магнитных полей, то физически нетривиально предположить, что порождающие эти поля векторные потенциалы как физи-ческие величины есть первичные полевые характеристики самого заряда, его полевой эквивалент. Для обоснования правомерности такого предположения рассмотрим конкретные аргументы, позволяющие, наконец, разрешить про-блему физического смысла электромагнитных векторных потенциалов, кото-рую для магнитного вектор-потенциала обсуждал еще Максвелл при анализе своих электродинамических уравнений ([6] п. 590). Как известно, физические представления об электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная частица ха-рактеризуется не только значением заряда , кратного заряду электрона , но и спином , трактуемым как собственный момент количества дви-жения (кинетический момент) частицы.

Величина этого момента квантована значением , где h  постоянная Планка.

Согласно нашему предположению, сопоставим эти локальные характеристики микрочастицы и ее некое собст-венное первичное электромагнитное поле. Так, например, для электрона электрическая компонента этого поля соответствует кванту электрического потока  заряду e, а магнитная компонента – величине его удельного (на еди-ницу заряда) кинетического момента , определяющей, как известно (на-пример, [2]), квант магнитного потока.

Наша задача показать далее, что вве-денное здесь гипотетическое собственное поле микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) является именно полем электромагнитных векторных потен-циалов.

Вначале рассмотрим электрический векторный потенциал . Для это-го соотношение (2b) связи вектора электрической индукции и вектор-потенциала для большей наглядности и математической общности предста-вим в интегральной форме: = . (5) Эти интегральные соотношения устанавливают физически содержа-тельное положение о том, что величина циркуляции вектора по замкну-тому контуру С определяется электрическим потоком через поверхность , опирающейся на этот контур, следовательно, поляризационным электри-ческим зарядом , индуцированным на указанной поверхности.

Отсю-да, в частности, следует определение поля вектора электрического смещения , по величине равного плотности поляризационного заряда на пробной площадке, ориентация которой в данной точке создает на ней максимальное значение этого заряда, а нормаль к площадке указывает направление вектора . Определение как потокового вектора показывает его принципиальное отличие от линейного (циркуляционного) вектора напряженности , являю-щегося силовой характеристикой электрического поля. Таким образом, согласно соотношению (5), электрическому заряду отвечает его полевой эквивалент - поле электрического векторного потен-циала , размерность которого есть линейная плотность электрического заряда.

В итоге, с целью реализации нашего предположения введем понятие первой фундаментальной корпускулярно-полевой пары с единица-ми измерения в системе СИ Кулон Кулон/метр. Здесь и далее обсуждаются именно размерности физических величин, а использование в рассуждениях конкретной системы единиц их измерения не принципиально. Корпускулярно-полевые представления подтверждаются и соотноше-нием (4) связи напряженности магнитного поля и электрического вектор-ного потенциала с единицей измерения Ампер/метр, которое есть ни что иное, как полевой эквивалент полного электрического тока (то-ков проводимости и смещения), величина (сила тока) которого имеет едини-цу измерения Ампер. Как видим, сопоставление соотношения (4) для вихре-вых полей и с понятием силы электрического тока снова приводит к корпускулярно-полевой паре Ампер Ампер/метр, являющуюся очевидным прямым физическим следствием первой фундаментальной пары. Перейдем теперь к магнитному векторному потенциалу и проанализи-руем соотношения связи поля вектора с полями векторов магнитной ин-дукции (2a) и электрической напряженности (3). Данные соотношения, несмотря на свою широкую известность [1, 2, 6], как нам представляется, трактуют не совсем корректно, поскольку в них исходно неверно определена размерность вихревого поля магнитного векторного потенциала  импульс на единицу заряда.

Попытаемся далее аргументировано обосновать это чрезвы-чайно серьезное, но пока декларативное критическое заявление о физической размерности вектора . Начнем с общеизвестного.

Поскольку вектор электрической напряжен-ности измеряется в системе СИ как Вольт/метр, либо математически (но не физически) тождественно Ньютон/Кулон, то, согласно соотношению (3) связи магнитного векторного потенциала с вектором , единица изме-рения вектора будет (Ньютон•сек)/Кулон, то есть имеет размерность им-пульс на единицу заряда.

Следовательно, соотношение (3) можно назвать по-левым аналогом уравнения динамики поступательного движения в механике (II закон Ньютона). Действительно, указанную выше размерность магнитного векторного потенциала, другими словами, его физический смысл находят в работе [2] при анализе действия вихревого поля вектора на точечный электрический заряд посредством именно II закона Ньютона, обычного ме-ханического.

Однако обобщать такие выводы, полученные в рамках уравне-ния динамики поступательного движения, на случай макрообъекта (в виде совокупности взаимодействующих точечных зарядов), находящегося в вих-ревых полях, мягко говоря, весьма сомнительно. Для прояснения сложившейся ситуации рассмотрим далее соотноше-ние (2а), которое представим для большей наглядности в интегральной фор-ме: . (6) Видно, что величина циркуляции вектора по контуру С определя-ется магнитным потоком через поверхность SC и имеет единицу измере-ния в СИ Вебер = (Джоуль∙секунда)/Кулон, что соответствует модулю мо-мента импульса на единицу заряда.

При этом размерность магнитного век-торного потенциала может быть двоякой: либо указанная выше импульс на единицу заряда, либо ей альтернативная линейная плотность момента импульса на единицу заряда.

Конечно, с формальной точки зрения обе раз-мерности вектора , выраженные через единицы измерения, математиче-ски тождественны, но физически это принципиально различные величины.

Целесообразно отметить, что сам Максвелл призывал ответственно от-носиться к математическим операциям над векторами электромагнитного по-ля и физической трактовке таковых. Вот его слова: “В науке об электричест-ве электродвижущая и магнитная напряженности принадлежат к величи-нам первого класса – они определены относительно линии. … Напротив, электрическая и магнитная индукция, а также электрические токи принад-лежат к величинам второго класса – они определены относительно площа-ди”. ([6] п. 12). И далее более конкретно: “В случае напряженности следует брать интеграл вдоль линии от произведения элемента длины этой линии на составляющую напряженности вдоль этого элемента. … В случае потоков следует брать интеграл по поверхности от потока через каждый ее эле-ментов”. ([6] п. 14). Не преувеличивая, трактат Максвелла можно назвать физическими основами математического анализа, поскольку в нем свойства используемых математических моделей максимально подчинены стремле-нию автора адекватно описать физические представления о рассматриваемых явлениях. Однако, к сожалению, в настоящее время даже в учебной литера-туре повсеместно встречается “ ” и “ ”, “ ” и “ ”. Такое формальное использование математики попросту игнорирует физическое со-держание соотношений электродинамики, создает путаницу физических по-нятий, мешая действительно разобраться в них. Все это усугубляется приме-нением абсолютной системы единиц СГС, когда безразмерные коэффициен-ты 0 = 1 и 0 = 1 делают векторы и , и сущностно тождествен-ными, где Эрстед и Гаусс равны в пустоте, а в средах различаются только численно.

О предпочтительности в классической электродинамике междуна-родной системы единиц физических величин СИ в сравнении с абсолютной системой единиц СГС говорится также в работах [4, 5]. Для нас здесь существенно то, что, согласно Максвеллу, в электроди-намике циркуляционные (линейные) векторы и имеют размерность ли-нейной плотности физической величины, а потоковые векторы , и – ее поверхностной плотности.

В частности, размерность вектора магнитной индукции равна поверхностной плотности момента импульса на единицу заряда, в системе СИ  Тесла. Экспериментально это ярко иллюстрируется эффектом Эйнштейна-де Гааза [1], где в материальной среде при ее однород-ном намагничивании возникает механический момент вращения, направлен-ный коллинеарно полю, обусловленный упорядочением собственных маг-нитных моментов, соответственно, моментов количества движения электро-нов в атомах вещества среды.

Следовательно, поле вектора выявляет в среде момент импульса, порождающий ее вращение.

Поэтому, согласно со-отношению (2а), размерностью вихревого поля магнитного векторного по-тенциала следует считать линейную плотность момента импульса на единицу заряда.

Итак, в формулах (6) локальной характеристике микрочасти-цы  моменту импульса на единицу заряда сопоставляется его полевой экви-валент  магнитный векторный потенциал , что дает вторую фундамен-тальную корпускулярно-полевую пару, которую, например, для электрона  можно записать как с единицами измерения (Джоуль∙секунда)/ Кулон (Джоуль∙секунда)/(Кулон&#8 729;метр). Вернемся к соотношению (3) связи вектора с вектором . Как те-перь здесь показано, размерность вихревого поля вектора электрической на-пряженности однозначно равна линейной плотности момента силы на единицу заряда, что естественно нисколько не опровергает единицу измере-ния этого вектора Вольт/метр, а лишь уточняет ее физический смысл.

Таким образом, в действительности соотношение (3) представляет собой полевой аналог основного уравнения динамики вращательного движения твердого те-ла в механике, что полностью согласуется с рассмотренными выше корпус-кулярно-полевыми представлениями.

Подводя итог, с приходим к заключению, что векторные потенциалы – это не математические фикции, а фундаментальные первичные поля, по-скольку именно они порождают традиционные вихревые электромагнитные поля в классической электродинамике.

Важно при этом подчеркнуть, что с точки зрения проявления физических свойств [4, 5] рассматриваемые потен-циалы логично называть поляризационными потенциалами. Установленная здесь принципиальная двойственность физических параметров электрическо-го заряда говорит о реальном существовании «корпускулярно-полевого дуа-лизма» природы электричества, у которого, в отличие от схожего лишь по названию «корпускулярно-волнового дуализма» в квантовой механике, кон-тинуальные компоненты являются векторным полем, и он реализуется на микро- и макроуровнях строения материи.

Фундаментальность концепции указанного дуализма обусловлена тем, что локальные характеристики мик-рочастицы (совокупно, и макрообъекта) находятся в неразрывной связи с их собственными полевыми параметрами: электрическому заряду, кратному кванту электрического потока  заряду электрона |e-|, соответствует электри-ческий векторный потенциал , а ее удельному (на единицу заряда) кине-тическому моменту, кратному кванту магнитного потока , отвечает маг-нитный векторный потенциал . В качестве конкретной иллюстрации вы-шесказанного имеем из (5) и (6) для точечного заряда, например электрона, следующие выражения: и . где и  орты сферической системы координат.

Как видим, полученные результаты представляют общефизический ин-терес, требуют дальнейшего серьезного развития и, в частности, могут слу-жить вместе с материалом работ [4, 5] непосредственным введением в новую перспективную область исследований связи классической электродинамики с микромиром.

Литература: 1. Матвеев А.Н. Электродинамика М.: Высшая школа, 1980 383 с. 2. Антонов Л.И Миронова Г.А Лукашёва Е.В Чистякова Н.И. Векторный магнитный потенциал в курсе общей физики / Препринт № 11 М.: Изд-во МГУ, 1998 47 с. 3. Патент РФ № 2101842. Способ обработки субстрата в поле магнитного векторного потенциала и устройство для его осуществления / В. Кропп. 4. Сидоренков В.В. Развитие физических представлений о процессе электри-ческой проводимости в металле // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Сер. Ес-тественные науки 2005 № 2 С. 35-46. 5. Сидоренков В.В. Обобщение физических представлений о векторных по-тенциалах в классической электродинамике // Вестник МГТУ им. Н.Э. Бау-мана. Сер. Естественные науки 2006 № 1 С. 28-37. 6. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах М.: Наука, 1989.

– Конец работы –

Используемые теги: физическом, смысле, векторного, потенцила, электромагнитного, поля0.105

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: О физическом смысле векторного потенцила электромагнитного поля

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ И МЕТОДИКУ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ Основные понятия теории и методики физической культуры
РАЗДЕЛ I ОБЩИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ... ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ... ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ И МЕТОДИКУ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ...

Методология физики: физические законы, физические явления, физические величины 4
Вступление... Предмет физики Материя движение материи пространство время...

По идее Максвелла изменяющееся магн. поле является порождением вихревого эл. поля, а это поле создаёт индукционный ток
Если рассматривать возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике в этом случае ЭДС возникает благодаря силе Лоренца Если проводник неподвижен... По идее Максвелла изменяющееся магн поле является порождением вихревого эл... Вынужденные колебания ДУ вынужденных колебаний и его решение...

Физические основы современной теории электромагнитного поля
Полевая концепция природы электричества является фундаментальной базой классической электродинамики и основана на признании того факта, что… В современной форме такая система дифференциальных уравнений имеет следующий… Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла является тот факт, что и компоненты электромагнитного поля…

Электрическое поле. Основные элементы электрической цепи пост. тока. Основные свойства магнитного поля. Электромагнитная индукция
Лекция Тема Электрическое поле стр... Лекция Тема Основные элементы электрической цепи пост тока стр... Лекция Тема Основные свойства магнитного поля стр...

Биотропные параметры магнитных полей. Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы и механизмы воздействия
От каждого из параметров, а также от их сочетания существенно зависит эффективность лечения того или иного заболевания.Индукция (В) — основной… Предельно допустимый уровень величины индукции МП на производстве составляет 1… В зависимости от значений индукции магнитные поля, применяемые в магнитотерапии, условно подразделяют на сверхслабые —…

Предмет учебной дисциплины, изучающей теорию и методику научных исследований в физической культуре, спорте и физической реабилитации
Введение предмета "Основы научных исследований" обязывает всех студентов освоить элементы методики научных исследований, что способствует развитию… В результате изучения теоретического курса и выполнения исследований по… НАУКА И НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Наука - это непрерывно развивающаяся система знаний объективных законов природы, общества…

Электрический заряд. Электрическое поле. Поле точечного заряда
На сайте allrefs.net читайте: " Электрический заряд. Электрическое поле. Поле точечного заряда"

Численное значение физической величины получают в результате измерений. Измерения физических величин подразделяют на
Цель лабораторного практикума экспериментально проверить теоретические выводы законы и соотношения между физическими величинами... Численное значение физической величины получают в результате измерений Измерения физических величин подразделяют...

Защита от электромагнитных полей
Источниками излучения могут быть любые элементы, включенные в высокочастотную цепь. Токи высокой частоты применяют для плавления металлов,… Токи высокой частоты создают в воздухе излучения, имеющие ту же… Электромагнитное поле характеризуется длиной волны l,м или частотой колебания f, Гц l сТ elf, или с lf, 45 где с 3 10s…

0.04
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам