Продольные электромагнитные волны

Элементарные полевые формы материи

«Всякое возмущение в пространстве распространяется со скоростью не выше скорости света.»

Основы физики. Л.А.Грибов, Н.И.Прокофьев. 1995. С.300.

Волны - это распространяющиеся возмущения, которые состоят из разноименных областей, например, уплотнений и разрежений или гребней и впадин.

«... состоит из чередующихся уплотнений и разрежений.»

Элементарный учебник физики. Г.С.Лансберг. 1995. Т.3. С.99.

«Волной называются распространяющиеся в пространстве возмущения состояния вещества или поля. Колебания вещества порождают упругую волну, а колебания электромагнитного поля - электромагнитную волну.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.62.

Т.е. волны по определению - это колебания материальной среды в виде вещества или поля. Представление, что волны могут распространяться в пустоте, без материальной среды - это идеализм, так же как, например, представление, что заряды могут взаимодействовать без материального поля.

«Волны, изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. ... Волны могут различаться по тому, как возмущения ориентированы относительно направления их распространения.»

Физический энциклопедический словарь. ВОЛНЫ.

Волны представляют распространяющиеся колебания, т.е. волны не могут распространяться без промежуточной материальной среды из вещества или поля, совершающей колебания. Волны состоят из волновых возмущений, обладающих энергией. Ориентация возмущений (областей возмущения) бывает продольная или поперечная.

Продольно ориентированное возмущение (смещение):

   (-)(+)

Поперечно ориентированное возмущение (смещение):

   (+)

   (-)

Направление распространения:

   --->

Знаками (+) и (-) обозначены разноименные области возмущения.

Электрические токи имеют продольную ориентацию электрических возмущений поля. Например, переменный электрический ток смещения между концами проводников (обкладками конденсатора) представляет распространение продольных электрических возмущений поля. Также в волноводах могут распространяться волны как с поперечной, так и с продольной ориентацией электрических возмущений поля (TE, TM-волны). TM-волны - продольные электромагнитные волны, имеющие осевую симметрию относительно направления распространения, у них нет поляризации, как у поперечных волн, ориентация электрического смещения - продольная, ориентация линий магнитной индукции такая же, как у проводника с переменным током. Т.е. в волноводе, представляя продольную электромагнитную волну, течет переменный ток смещения - распространяются продольные электрические смещения поля. Движущиеся потоки электрического смещения поля (возмущения) измеряются в кулонах, а создаваемый ими ток электрического смещения - в амперах. Дискретность потоков электрического смещения поля проявляется как дискретность токов смещения.

«Поток смещения, единица - кулон (СИ)»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.562.

«При этом типе волны (TM-волна) ... электрическое поле имеет продольную составляющую.»

Антенны. С.И.Надененко. 1959. С.456.

«... электрическое поле в поперечно-магнитной волне непоперечно.»

Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1998. Т.2. С.646.

В TM-волнах (поперечно-магнитных волнах) всегда поперечны только линии магнитной индукции. Т.е. в TM-волне поток электрического смещения поля имеет продольную ориентацию, например, так же как у переменного тока проводимости, который представляет продольные электромагнитные колебания - продольные электромагнитные волны.

«Распространение электромагнитных колебаний происходит в виде электромагнитных волн.»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

Продольные электромагнитные волны могут быть в виде переменного тока проводимости или тока смещения, где длина волны зависит от частоты колебания. Любой электрический ток, согласно электродинамике, всегда замкнут. Поэтому продольные электромагнитные волны всегда замкнуты независимо от того, представляют они переменный электрический ток проводимости или смещения.

Продольные электрические возмущения поля имеют продольную ориентацию электрического смещения, поперечные возмущения имеют только поперечную ориентацию электрического смещения. Электромагнитные волны (возмущения) - это распространяющиеся электрические смещения (переменные потоки электрического смещения поля - токи смещения). Скорость распространения продольных электромагнитных волн (переменного электрического тока) равна скорости распространения поперечных электромагнитных волн (света). Для распространения поперечных электромагнитных волн нужна диэлектрическая среда, для продольных - проводящая, например, по проводам могут бежать продольные электромагнитные волны, которые являются замкнутыми, так как ток, согласно законам электродинамики, всегда замкнут. В диэлектриках (вакууме) продольные электромагнитные волны могут распространяться только в волноводах или между концами проводников, так как в свободном состоянии они всегда являются замкнутыми, представляя замкнутые токи электрического смещения. Таким образом, диэлектрик является средой, где свободно могут распространяться только поперечные электромагнитные волны, при этом не имеет значения состояние диэлектрика - твердое, жидкое или газообразное. Можно сказать, что проводник не пропускает (экранирует) поперечные электромагнитные волны, а диэлектрик не пропускает продольные.

«... нельзя было понять причину отсутствия у света продольных составляющих. Электромагнитная теория света эту трудность устранила.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.108.

Т.е. отсутствие у света продольных составляющих объясняется тем, что в диэлектрике (вакууме) могут распространяться только поперечные электромагнитные волны.

«С другой стороны, если световые волны - поперечны, то их носитель - эфир - должен обладать свойствами твердых тел. Попытка же наделить эфир свойствами твердого тела успеха не имела, так как эфир не оказывает заметного воздействия на движущиеся в нем тела.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.318.

Электродинамика устранила эти противоречия, доказав, что свет имеет электромагнитную природу. Электромагнитные волны - это не звуковые волны и для их распространения нет разницы, какое состояние среды - твердое, жидкое или газообразное - достаточно, чтобы среда обладала свойствами диэлектрика. Рассмотрение световых волн как электромагнитных возмущений, где вакуум представляет диэлектрик, позволило понять их физическую сущность и тем самым отпала необходимость в твердой среде, так как диэлектрики существуют в любом состоянии.

«Диэлектриками являются все газы (неионизированные), некоторые жидкости и твердые тела.»

Физический энциклопедический словарь. ДИЭЛЕКТРИКИ.

«... в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.»

Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.2. С.107.

Световые волны по своей сути представляют электромагнитные возмущения диэлектрической среды. Скорость распространения возмущений зависит только от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды.

«... скорость распространения электромагнитных волн - величина конечная. Она определяется электрическими и магнитными свойствами среды, в которой распространяется электромагнитная волна ... скорость распространения электромагнитной волны в вакууме: c = (e0m0)-1/2 ...»

Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.259.

«... e0, m0 - проницаемости вакуума, ...»

Физическая энциклопедия. ИМПЕДАНС.

Скорость света отражает свойство физического вакуума. Так как скорость света - это всего лишь показатель электромагнитной проницаемости среды и представляет скорость распространения электрических и магнитных потоков.

«Поэтому с - скорость электромагнитных волн в вакууме.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.344.

Точнее, скорость электромагнитных волн в физическом (электродинамическом) вакууме, так как в электромагнитной волне течет ток электрического смещения, который может течь только в диэлектрической среде (токи смещения материальны, обладают магнитной энергией и массой, так же как и любой электрический ток). Согласно электродинамике, вакуум обладает свойствами диэлектрика, что и позволяет использовать его для распространения поперечных электромагнитных волн.

Изменение потока электрического смещения поля в диэлектрике (вакууме), например, находящемся между обкладками конденсатора, представляет ток смещения Iсм = dФe/dt. Ток смещения, возникающий между концами проводников, при определенных условиях может начать распространяться самостоятельно в виде электромагнитных волн.

«... согласно Максвеллу, через конденсатор "протекают" токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. ... на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.249.

Между концами проводников электрический ток течет в виде тока смещения, так как вакуум обладает свойствами диэлектрика. Токи смещения могут существовать самостоятельно без токов проводимости, при этом они всегда замкнуты.

«В металлических проводниках имеются носители тока - электроны проводимости, которые могут под действием электрического поля перемещаться по всему проводнику.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.198.

Представим два металлических шара, на одном из которых находится электрический заряд, образующий возмущение электрического поля. Если шары соединить проводником, то возникнет ток и электрическое возмущение поля распространится на другой шар. Без распространения возмущений поля нет тока, т.е. ток проводимости - это распространение со скоростью света электрических возмущений поля, сопровождаемое перемещением заряженных частиц по проводнику. Ток смещения (вакуумный) - это распространение возмущений поля без перемещения заряженных частиц, т.е. распространяющиеся электрические смещения поля. Ток смещения, представляя изменение потока электрического смещения поля, распространяется со скоростью света, обладает магнитной энергией и является такой же физической реальностью, как и поле. Например, если отключить напряжение с обкладок конденсатора в тот момент, когда между ними течет ток смещения, то, распространяясь со скоростью света как продольное возмущение поля, ток смещения, еще некоторое время продолжая течь, будет создавать на обкладках конденсатора электрическую напряженность поля. Там, где есть токи смещения поля, всегда присутствуют движущиеся (изменяющиеся) потоки электрического смещения поля, так как токи смещения - это распространяющиеся со скоростью света изменения потоков смещения, т.е. распространяющиеся электрические возмущения поля. Таким образом, любой электрический ток - это движение (распространение) электрических потоков. Надо заметить, что может возникать взаимная нейтрализация при наложении движущихся электрических потоков (возмущений), тогда в пространстве наблюдается только ток смещения без электрической напряженности поля (аналогия: ток в сверхпроводнике, где также нет электрической напряженности поля). В природе ток смещения распространен не меньше, чем ток проводимости, например, ток смещения течет в электромагнитных волнах.

«Ток смещения входит в Максвелла уравнения на равных правах с током, обусловленным движением зарядов.»

Физический энциклопедический словарь. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

«... плотность тока смещения dD/dt складывается из "истинного" тока смещения e0dE/dt и тока поляризации dP/dt ...»

Электромагнетизм. И.Е.Иродов. 2000. С.286.

Правильнее называть не "истинный" ток смещения, а "вакуумный" ток смещения, так как он течет в физическом вакууме, даже при полном отсутствии какого-либо вещества.

«jсм = e0dE/dt называется плотностью тока смещения в вакууме.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.289.

«Наличие токов смещения подтверждено экспериментально А.А.Эйхенвальдом, изучавшим магнитное поле тока поляризации, который, как следует из (138.3), является частью тока смещения.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.251.

Электрический ток смещения, так же как и ток проводимости, может быть постоянным (по направлению) или переменным. Например, если в диэлектрике связанные заряды смещаются сначала в одну, а потом в другую сторону - это переменный ток смещения. Если же связанные заряды одного знака, смещаясь, совершают круговое движение - это постоянный круговой электрический ток смещения, например, движение электронов по атомным орбитам. Ток проводимости же создается свободными электронами, которые не связаны с атомами. Например, в диэлектриках могут течь только токи смещения, а токи проводимости отсутствуют. Электрические токи всегда замкнуты, т.е., если обрывается ток проводимости, то он замыкается током смещения, и наоборот, если обрывается ток смещения, то он замыкается током проводимости. Ток проводимости всегда сопровождается определенным током смещения, поэтому полный ток равен сумме тока проводимости и тока смещения. Ток смещения же может существовать без тока проводимости, представляя замкнутый ток смещения, например, в виде вихревого электрического поля. Токи смещения - это распространение электрических возмущений поля, т.е. токи смещения всегда связаны с изменениями (колебаниями) поля. Свободные токи смещения (без токов проводимости) всегда текут по замкнутым орбитам, на которых укладывается целое число длин волн колебаний поля. Например, в электромагнитных волнах эффективный радиус, по которому течет ток смещения: r = l/2p, где l - длина электромагнитной волны.

«Сумма же тока проводимости и тока смещения называется полным током. Его плотность jполн = j + dD/dt. ... Токи проводимости, если они не замкнуты, замыкаются токами смещения.»

Электромагнетизм. И.Е.Иродов. 2000. С.284.

Токи проводимости и продольные токи смещения - это распространяющиеся продольно ориентированные электрические возмущения поля. Поперечные электромагнитные волны - это распространяющиеся поперечно ориентированные электрические возмущения поля. Например, с помощью антенн можно преобразовать продольные возмущения в поперечные и наоборот, т.е. изменить ориентацию электрического смещения поля (изменить ориентацию потоков смещения поля). Электрические возмущения (потоки смещения) квантового поля всегда дискретны и кратны элементарному электрическому заряду (кванту заряда), поэтому электрический ток и электромагнитные волны всегда дискретны. Электрические возмущения бывают положительные, отрицательные или нейтральные, состоящие из двух разноименных областей возмущения. В зависимости от ориентации электрического смещения поля возмущение является продольным или поперечным.

Элементарная частица фотон (дискретная поперечная волна) - это поперечное возмущение, состоящее из двух разноименных областей возмущения в один квант заряда, где поток электрического смещения поля имеет поперечную ориентацию.

Продольные электрические возмущения поля представляют токи, а ток, согласно законам электродинамики, всегда является замкнутым, поэтому продольные электромагнитные волны существуют только в виде замкнутых токов смещения, которые также дискретны, но, в отличие от поперечных волн - фотонов, могут покоиться (так как замкнуты); они, как различные комбинации, образуют спектр остальных элементарных частиц. Например, электрон - это отрицательное электрическое возмущение поля в один квант заряда, образующее замкнутый электрический ток смещения. На то, что микрочастицы представляют дискретные замкнутые токи (волны), указывают также экспериментальные факты.

«... замкнутые токи и связанные с ними магнитные моменты.»

Физическая энциклопедия. МАГНЕТИЗМ МИКРОЧАСТИЦ.

«... в экспериментах по рассеянию нейтронов в неоднородном магнитном поле было показано, что их магнитный дипольный момент имеет токовую, а не монопольную природу: нейтроны движутся под действием силы, характерной для рамки с электрическим током ...»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

Таким образом, экспериментально установлено, что внутри элементарных частиц существуют замкнутые электрические токи, т.е. распространяются электрические возмущения поля, представляющие замкнутые токи смещения, которые могут создавать магнитные моменты. Магнитное поле - это движущийся электрический поток B = m0[vD]. Зная магнитный момент, можно вычислить эффективный радиус замкнутого тока смещения, например, в электроне:

Re = 2Me/ec = 3.9·10-13 м,

где Me - магнитный момент электрона, e - элементарный электрический поток (заряд), c - скорость электрического тока смещения (скорость движения электрического потока), где сила тока смещения:

Ie = ec/2pRe = 19.8 А.

«Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.250.

«... нуклоны обладают сложной внутренней структурой, т.е. внутри них существуют электрические токи, ...»

Физический энциклопедический словарь. НЕЙТРОН.

«... элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля, ...»

А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689.

То, что элементарные частицы имеют электромагнитную природу, было теоретически предсказано еще в начале прошлого века. Это вытекает из соотношения m = e0m0W, где e0 - электрическая постоянная, m0 - магнитная постоянная, т.е. масса представляет электромагнитную энергию поля. Таким образом, любая энергия материальна и обладает полевой массой. Например, кинетическая энергия представляет волновые возмущения поля.

«Полная энергия света - это чисто кинетическая энергия, ...»

Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1996. Т.1. С.121.

Т.е. электромагнитные волны представляют кинетическую энергию, которая, согласно m = e0m0W, обладает полевой массой.

Согласно современной теории поля, частицы материи - это возбужденные состояния, но никто даже не попытался построить полевые модели элементарных частиц. Надо заметить, что аналогичная ситуация была с теорией поля Максвелла, когда, предсказав электромагнитные волны, он даже не попытался получить их экспериментально, хотя это не представляло особой сложности (что может быть проще вибратора Герца). На сегодня экспериментально установлены почти все основные свойства и характеристики элементарных частиц, а также хорошо изучены свойства полей. Элементарные частицы - это те же самые поля, только возбужденные, т.е. при желании без проблем можно представить полевые модели частиц в виде возбужденных состояний поля и сравнить, насколько свойства моделей совпадают с экспериментальными данными. Видимо, время еще не пришло для того, чтобы предпринимались хотя бы попытки сделать это.

«Сам Максвелл не предпринимал попыток получить электромагнитные волны на опыте, хотя он и был не только величайшим теоретиком, но и первоклассным экспериментатором.»

Общий