מהו חשמל?

למרות ההצלחות הבלתי מעורערות של התיאוריה המודרנית לאלקטרומגנטיות, היצירה על בסיס תחומים כמו הנדסת חשמל, הנדסת רדיו, אלקטרוניקה, אין סיבה לשקול תיאוריה זו כשלמה.

החיסרון העיקרי של התיאוריה הקיימת לאלקטרומגנטיות הוא היעדר מושגי מודל, חוסר הבנה של מהות תהליכים חשמליים; מכאן חוסר האפשרות המעשית להמשך פיתוח ושיפור התיאוריה. ומתוך מגבלות התיאוריה נובעים קשיים יישומים רבים.

אין שום סיבה להאמין שתאוריית האלקטרומגנטיות היא שיא השלמות. למעשה, התיאוריה צברה מספר מחדלים ופרדוקסים ישירים שעבורם הומצאו הסברים לא מספקים, או שאין הסברים כאלה בכלל.

לדוגמה, כיצד להסביר ששני מטענים זהים חסרי תנועה הדדית, שאמורים להדוף אחד מהשני על פי חוק קולומב, נמשכים למעשה אם הם עוברים יחד מקור נטוש ארוך יחסית? אבל הם נמשכים, מכיוון שעכשיו הם זרמים, וזרמים זהים נמשכים, וזה הוכח באופן ניסיוני.

מדוע אנרגיית השדה האלקטרומגנטית לכל אורך יחידה של מוליך עם הזרם המייצר שדה מגנטי זה נוטה לאינסוף אם המוליך החוזר מתרחק? לא האנרגיה של המוליך כולו, אלא בדיוק לכל אורך היחידה, נניח מטר אחד?

כיצד לפתור את בעיית התפשטות הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים על ידי דיפול הרץ (כלומר דיפול עם פרמטרים מגושמים) המונחים במדיום מוליך למחצה? למרות האופי הטריוויאלי של ההצהרה, בעיית הקרינה של הדיפול הרץ במדיום מוליך למחצה מעולם לא נפתרה על ידי אף אחד, וניסיונות לפתור אותה כשלו תמיד. הפתרונות הכתובים בספרי לימוד ובספרי עיון מורכבים משני פתרונות על בסיס "השכל הישר", אך אינם מתקבלים כלל כפתרון קפדני. אך לאחר פיתרון הבעיה ניתן היה להשיג תוצאות רבות ומגוונות: קרינה של דיפול במדיום אידיאלי בהיעדר מוליכות אקטיבית, הנחתת גל מישור במוליך למחצה במרחקים אינסופיים מהדיפול ומספר אחרים (בנפרד, ללא קשר זה לזה, נפתרו חלק מהבעיות הללו). )

הבעיות המגבילות בהופעת שדה מגנטי בשדה חשמלי פועם ובפוטנציאל החשמלי המושרה בשדה מגנטי פועם על מוליך יחיד ורבות אחרות לא נפתרו. המתודולוגיה של האלקטרודינמיקה אינה תמיד רצף שונה. לדוגמא, המוצב הסטטי של מקסוול (משפט גאוס) המונח בספרי הלימוד של היסודות התיאורטיים של האלקטרודינמיקה בקטע הסטטיסטיקות, לאחר הצגתו בצורה דיפרנציאלית, ממוקם כבר בקטע של הדינמיקה, אם כי צורת הייצוג האחרונה אינה שונה במהותה הפיזית מזו הקודמת. כתוצאה מכך, ההתעלמות בערך הפוטנציאל החשמלי D מתעלמת כאשר המטענים q נעים בתוך החלל המכוסה על פני השטח S.

ומהו "פוטנציאל הווקטור"? לא פוטנציאל סקלרי - האם זו העבודה של העברת מטען יחידה מאינסוף לנקודה נתונה במרחב, כלומר וקטורית? איזו משמעות פיזית יש לו מלבד העובדה שהוא חייב לעמוד בתנאים מתמטיים מסוימים? מי יכול לשתף את הסוד הזה?

הנקודות לעיל, כמו גם כמה שיקולים אחרים, אינן מאפשרות לנו לשקול את התפתחותה של תורת האלקטרומגנטיות, כמו כל מדע, שהושלמה לחלוטין. עם זאת, התפתחותה נוספת אפשרית רק על סמך בחינה איכותית מפורטת של התהליכים המתרחשים בתופעות אלקטרומגנטיות.כדאי לזכור שהיום ובמשך שנים רבות אנו משתמשים בתיאוריה שג'ון סי מקסוול הציג בספרו המפורסם על חשמל ומגנטיות שפורסם בשנת 1873.

מעטים יודעים כי בעבודה זו סיכם מקסוול את עבודותיו הקודמות בשנים 1855-1862. בעבודתו, מקסוול שואב את עבודתו הנסיונית של מ 'פאראדיי, שפורסמה בתקופה 1821 עד 1856. (פאראדיי פרסם במלואו את "מחקרים ניסיוניים לחשמל ומגנטיות" בשנת 1859), ליצירתו של ו 'תומסון מהתקופה 1848-1851, ליצירתו של ח. הלמהולץ "על שימור הכוח" משנת 1847, ליצירתו של וו. ראקין. "מכניקה מיושמת" משנת 1850 ורבים אחרים מאותה תקופה. מקסוול מעולם לא הניח דבר, כפי שכמה תיאורטיקנים אוהבים לפנטז כעת, כל מסקנותיו התבססו על רעיונות מכניים גרידא לגבי האתר כנוזל אידיאלי ובלתי דחוס, אותו כתב מקסוול שוב ושוב בכתביו. הקורא יכול להכיר את חלק מיצירותיו של מקסוול המוצגות ברוסית על ידי תרגומו של צ. א. צייטלין (J. C. Maxwell. עבודות נבחרות על תורת השדה האלקטרומגנטי. M., GITTL, 1952, 687 עמ ').

ברשימותיו של ל 'בולצמן ליצירתו של מקסוול "על קווי הכוח של פאראדיי" (1898) מצוין:

"יכולתי לומר כי העוקבים של מקסוול במשוואות אלה כנראה לא שינו דבר מלבד אותיות. עם זאת, זה יהיה יותר מדי. כמובן, לא צריך להיות מפתיע שאפשר להוסיף משהו למשוואות האלה, אבל הרבה יותר כמה מעט נוסף להם. "

זה נאמר בשנת 1898. וזה נכון לחלוטין עכשיו, כמעט מאה שנה אחרי.

למעשה, תורת האלקטרומגנטיות נעצרה בהתפתחותה ברמה של מקסוול, שהשתמש בייצוגים מכניים של המחצית הראשונה של המאה ה -19. ספרי לימוד רבים על הנדסת חשמל, אלקטרודינמיקה והנדסת רדיו שהופיעו במאה העשרים משפרים (או מחמירים?) את המצגת, אך אינם משנים דבר במהותם. מה חסר בתורת האלקטרומגנטיות כיום? ראשית כל, יש חוסר הבנה כי כל דגם, כולל מודל האלקטרומגנטיות שפותח על ידי מקסוול, מוגבל באופיו, ולכן ניתן וצריך לשפר אותו. יש חוסר הבנה של הצורך לחזור למודלים ובדיוק למודלים מכניים של אלקטרומגנטיות. מקסוול הפעיל את מושגי האתר כאידיאליים, כלומר נוזל בלתי צנוע וחסר דחיסה. והאתר התגלה כגז, יתר על כן, גם צמיג וגם דחוס. המשמעות היא שהרעיונות של ג. הלמהולץ המשמשים את מקסוול, למשל, שסביות אינן נוצרות ואינן נעלמות, אלא רק זזות ומתעוותות, שתוצר זרימת הדם לאורך שטח חתך המערבולת נשאר קבוע לכל אורכו, רחוקים מלהיות תמיד נכון. בגז אמיתי, מערבולות הן נוצרות ונעלמות, וזה לא נלקח בחשבון על ידי מקסוול. משוואות מקסוול אינן משקפות את התהליך בנפח, מכיוון שמשוואות מקסוול ראשונות ושניה שוקלות את התהליך במישור. נכון, אז המטוס הזה מסתובב בצירי הקואורדינטות, מה שיוצר אפקט תלת מימדי, אבל למעשה המהות לא משתנה מכאן, המטוס נשאר מטוס. אם התהליך נחשב בנפח, יהיה צורך לקחת בחשבון את השינוי בעוצמת המערבולת לאורך צירו, אז היו מכוסים תהליכי היווצרות המערבולת ודעיכה של המערבולות במידה מסוימת. אבל זה בדיוק מה שחסר מהמשוואות של מקסוול. לפיכך, לא ניתן לפתור את היסודות הללו באמצעות שאלות משוואות מקסוול, באופן בסיסי, את הבעיות בהן שאלות אלו עולות, למשל, הבעיה של הדיפול ברץ במדיום מוליך למחצה.

העובדה שמקסוול לא מביאה בחשבון עובדה של אינטראקציה ישירה של מוליך עם שדה מגנטי ברגע שהמוליך מצטלב בשדה זה.חוק פאראדיי, שהוא תוצאה ישירה של משוואת מקסוול הראשונה, במובן זה הוא חוק תיאורטי, פנומנולוגי, חוק לטווח הרחוק, שכן בתוכו התחום משתנה במקום אחד, בתוך המעגל, והתוצאה של שינוי זה היא EMF בשולי המעגל. והיום, כבר ידוע על פערים משמעותיים בין חישובים שבוצעו בהתאם לחוק של פאראדיי לבין תוצאות המדידות הישירות. ההבדל במקרים מסוימים הוא לא אחוז או שניים, אלא כמה פעמים!

ניתן להמשיך ברשימה זו במידת הצורך.

לפחות מכל התוכחות הללו ניתן לייחס לג'יי קיי מקסוול עצמו. התיאוריה של מקסוואל על האלקטרומגנטיות התבררה כל כך טובה, שעל בסיסה נוצרו מספר התחומים החשובים ביותר במדע המודרני, נפתרו מספר עצום של בעיות יישומיות והעלו דורות של חוקרים. אבל תוכחות אלה נכונות לדורות הבאים של מדענים שדמיינו שמקסוול עשה הכל ולא פיתח עוד יותר את משנתו של מקסוול.

מבלי להיכנס לפרטים, ניתן לציין כי השימוש במושגים של אתר כמדיום דחוס צמיגי איפשר לברר כמה ייצוגים של תורת האלקטרומגנטיות, בפרט, כדי לפתור חלק מהפרדוקסים המפורטים לעיל. מטענים נעים, למשל, למרות שהם נשארים נייחים יחסית זה לזה, נעים יחסית לאתר, וזו הסיבה שמתעורר שדה מגנטי, שמתחיל להפגיש ביניהם.

התברר כי שדה חשמלי אורכי נוצר באזור הקרוב של הפולטים, בו עדיין נוצרות מערבולות אתר. בשדה כזה, וקטור המתח החשמלי ממוקם לא בכיוון תנועת האנרגיה, אלא לאורכו. ורק במרחק מסוים מהפולטים כתוצאה מהתוספת הווקטורית של שדות כאלה נוצר גל בו וקטור המתח החשמלי כבר ניצב לכיוון התפשטות האנרגיה.

התברר שעקב דחיסתו של האתר ניתן גם לדחוס את השדה המגנטי, ודחיסה זו מורגשת למדי אפילו עבור שדות שנוצרו על ידי זרמים בעשירית אמפר. אימות ניסיוני של החוק הנוכחי הכולל, שכפי שהתברר מעולם לא אומת על ידי אף אחד בגלל הברור שלו ואשר נובע ישירות ממשוואת מקסוול השנייה, הראה כי חוק זה נשמר במדויק רק בעוצמות שדה מגנטי נמוכות ונעלמות. גם במקרים רגילים, ההבדלים בין חוזקות השדה האמיתיות לאלו המחושבים על פי חוק זה יכולים להיות גדולים מאוד, העולים בהרבה על גבולות טעויות המדידה האפשריות או הזנחת השפעות קצה.

התברר שאפשר לחשב את ה- EMF הנובע על מוליך המונח בשדה מגנטי פועם, וניסויים אישרו את נכונותם של חישובים אלה.

התברר שאפשר ליצור את המושג "השראה הדדית של מוליכים", אם כי באלקטרודינמיקה יש רק המושג "השראה הדדית של מעגלים". זה איפשר לפתח מתודולוגיה ליצירת הפרעות התייחסות בקווי תקשורת של ציוד אוויוניקה של מטוסים, להכניס אותה ל- GOST הרלוונטי ולהשתמש בה בהצלחה בתרגול להבטיח חסינות רעש של קווי תקשורת חשמליים מוטסים. ולפני זה לא הסתדר ...

וזו רק ההתחלה. התיאוריה של האלקטרומגנטיות מחכה לפאראדיי ולמקסוול המודרני שלה. אי אפשר לנצל בלי סוף את סמכותם של מדענים גדולים, אך כבר מזמן. עלינו לעבוד בעצמנו.