КАК УНИЧТОЖИТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПАРАДОКС?
ВИКТОР АЛЁШИНСКИЙ, инженер г. Харьков
Около пятнадцати лет назад в печати появились публикации о странных соотношениях сил, возни-хающих при взаимодействии электрических токов (см. «Техника — молодежи» № 12 за 1968 г.; № 8 за 1969 г.; «Изобретатель и рационализатор» № 4 за 1968 г.; № 3 за 1969 г.).
В чем суть вопроса?
Как известно, два проводника, по которым течет постоянный ток, определенным образом воздействуют друг на друга. Если они параллельны, то при согласных токах будут притягиваться (а при несогласных — расталкиваться) с равными по величине и противоположными по направлению силами, сумма которых равна нулю. Процесс вполне соответствует третьему закону Нью* тона о равенстве действия и противодействия. Но если паши токовые элементы не параллельны, то картина будет уже иной. Сумма сил при их сложении не обратится в ноль. В итоге такая пара элементов сможет смещать сама себя. Сторонний наблюдатель увидит, как черный ящик, где спрятаны эти отрезки тока, начнет двигаться сам по себе за счет внутренних сил.
Да, но ведь механика утверждает, что такого быть не может, что любые внутренние силы всегда уравновешены и не способны перемещать систему.
Вокруг проводника с током всегда возникают силовые линии магнитного поля.
Парадокс? Да. Как же выйти из этого положения? Объяснение таково: постоянный ток может протекать только по замкнутым контурам, и вот в таком контуре сумма сил между токовыми петлями всегда равна нулю. Действительно, если мысленно разбить эти петли на дольки и определить силы, действующие между всевозможными парами, то в итоге обнаружим, что никакого «добавочного» прироста не существует и системе себя перемещать нечем.
Однако, но все так просто. Возьмем прямоугольный контур, пропустим по нему ток. Противоположные стороны качнут расталкиваться с равными силами, что логично. Но вот стороны смежные, те, что образуют углы, будут не расталкиваться, а распрямляться, стараясь превратить угол в прямую линию. А это уже странно. Если в таком прямоугольнике сделать одну сторону подвижной, то при подведении тока она «поедет» в одном направлении, а три другие, жестко скрепленные в виде буквы П, стороны — в другом. Эта «буква П» начнет двигаться сама по себе! Но ведь законы механики запрещают это!
В свое время этот парадокс подметил Ампер, создавший свою знаменитую формулу, а после него — Грассман, «доработавший» амперовское выражение до сегодняшнего вида. Однако ни та, ни другая формулы не согласуются в некоторых случаях с законом сохранения энергии.
Если выражение Ампера— Грассмана дополнить еще одним членом до вида
_ _ _ _ _ _ _ _ _
F=k [-r (а • b) + b (a • r) + a (b • r)],
где r — расстояние между элементами тока а и b,
черточки над символами — знаки векторов,
то получим формулу, которая удовлетворит механиков, ибо ясно говорит о невозможности движения токовой системы за счет её внутренних сил. Ее можно применять как для токов, так и для одиночных зарядов.
Надо сказать, что новая формула говорит нам еще кое о чем. Да, токонесущую систему нельзя разогнать исключительно внутренними силами, нельзя сместить центр ее тяжести, а вот повернуть вокруг оси — можно.
Простая иллюстрация: два человека, стоя друг против друга на круглой, способной поворачиваться вокруг оси платформе и двигаясь согласованно в одну сторону по ее окружности, заставят платформу повернуться. Если же они будут перемещаться через центр диска, то он не шелохнется. Другими словами, запреты для поступательного и вращательного движений не совпадают. То же самое откосится и к токам, и именно об этом говорит предлагаемая мной формула.
Пока что речь шла о постоянных токах. Для их протекания нужны замкнутые контуры. А вот для переменного тока достаточно и куска провода — были бы емкости, где могут накопиться электроны, чтоб затем истечь оттуда. Так вот, в таких цепях закон Ньютона обычно никогда не выполняется, и ученые приписывают излишний импульс, возникающий за счет неполного погашения сил между токами, уже к электромагнитному полю. Но тогда получается, что в обычных цепях переменного тока силы действуют и на проводники, и на поле между ними.
При прохождении токов по параллельным отрезкам проводников их взаимодействие согласуется с законами механики. Силы равны по величине и противоположны по направлению; сумма же их в системе равна нулю.
Не очень-то все это согласуется со здравым смыслом... Еще один парадокс?
Предлагаемая формула позволяет не только ликвидировать теоретическое «недоразумение», но и предсказать некоторые совершенно новые эффекты.
Например, индуктивность катушки или проводника можно изменить, если поместить рядом какое-то заряженное тело — ведь взаимодействие зарядов зависит от их относительного ускорения. Более того. Скорость распространения сигнала вдоль телефонного шнура или линии электропередачи зависит от индуктивности в обратной степени. Что ж, поднесем к шнуру заряженную стеклянную пластинку. Индуктивность линии снизится, а скорость движения сигнала, равная и обычных условиях скорости света, увеличится! Может быть, на электроподстанциях, где властвует высокое напряжение, происходит нечто подобное, только никто не ожидает подобного эффекта, а потому и не фиксирует его.
Тем же способом можно изменить токи в контуре, если поднести к нему заряд. То есть формально можно делать трансформацию постоянных токов, что уже известно для сверхпроводников, правда, там это объясняется слишком «физично», с помощью квантовых представлений. Теперь же и классическая электродинамика сможет справиться с описанием магнитных свойств сверхпроводников, выталкивающих магнитное поле из своей толщи.
Надеюсь, что приведенные мною примеры заинтересуют читателей и дискуссия будет продолжена. Учение об электрических зарядах настолько важно для жизни и техники, что мы не имеем права оставлять ого в столь недоработанном состоянии. Самое главное, что, кроме теоретической стройности, которая облегчит освоение электромагнетизма, непременно будут изобретены новые электротехнические приборы, машины п аппараты.
Представьте себе, что мы сидим около электротехнического клада и не знаем об этом. Уже много людей показывают рукой, где закопано это богатство, но на карте еще нет никаких разъяснений. Мало того,
карта (теория) предупреждает: «клада нет)», но набирается немало свидетельств, что это не так. Конечно, со временем все исправится, но ведь время-то идет... Пусть парадоксы, которых в электромагнетизме слишком много, будут для исследователей путеводными звездами.
Если отрезки, по которым течет ток, перпендикулярны, то взаимодействие, рассчитанное по формулам электродинамики, не будет удовлетворять условию равенства действующих и противодействующих сил:
а) сумма сил в горизонтальном направлении не равна нулю;
б) сумма сил в вертикальном направлении не равна нулю (на верхний отрезок действует небольшая пара сил).
Замкнутый прямоугольный контур с подвижной токовой стороной. Из формул электродинамики следует, что три жестко связанные стороны при пропускании тока по контуру переместятся влево только за счет их взаимодействия между собой. А это противоречит законам механики.
Перемещения заряженного тела над прямоугольным контуром, по которому протекает ток.
Формулы говорят, что тело сместится сначала влево, а при отходе от контура — право; центр же тяжести контура останется на месте. Это противоречит законам механики, ведь процесс должен привести к смещению центра тяжести всей системы «заряд — контур» влево. Как это ни странно, формулы электродинамики говорят, что контур с током действует на неподвижный заряд, а вот заряд на него не действует.
РЕЗЕРВЫ У ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ ЕСТЬ
ВЛАДИМИР ОКОЛОТИН, кандидат технических наук
Учение об электромагнетизме критикуют давно, говоря о нем: непонятное, сложное, противоречивое. Действительно, парадоксов в нем набирается примерно с сотню. Однако теоретический их разбор, так сказать, теоретизация, доработка, несмотря на полезность такого занятия, порой все же попахивает чем-то кабинетным, умозрительным. В таких случаях невольно хочется спросить: а нет ли чего-нибудь новенького в практике, в экспериментах, поразивших бы даже видавших виды теоретиков?
Надо сказать, что необычных опытов, объяснимых тем не менее в рамках существующего учения, можно насчитать с десяток. Есть среди них и такие, что открывают наконец-то дорогу к новой электродинамике - ясной, простой к логичной, лишенной парадоксов, о которых говорит В. Алешинский. Поговорим о тех и других.
Исключительно эффектно смотрятся «моторчики», в которых между электродами, куда подведено высокое напряжение, бешено вращаются самые разные предметы (см. «ТМ» № 9 за 1982 г.). Одно такое колесо построил еще Франклин. Принцип его работы весьма прост: с электродов на ротор стекают заряды, отталкиваемые кулоновскими силами.
Любопытен эксперимент с металлической трубой, к которой подведен ток. Как известно, в полости любого металлического предмета, находящегося под напряжением, электрического поля нет. Так вот, если внутрь трубы положить заземленный провод, электрическая емкость ее повысится. Почему? Как труба «замечает», что у нее внутри провод? Оказывается, его хвост, тот, что присоединяется к земле, попадает в электрическое внешнее поле и, как насос, затягивает в провод нужные заряды.
«Новой» физики в этих явлениях нет. Гораздо больше резервов для её построения таит магнитное поле. В свое время довольно много писали о работах Р. Сигалова (см. «ТМ» № 12 за 1968 г., № 8 за 1969 г.). Ферганским физикам удалось детально проследить за поведением «уголков» с токами. Два проводника, образующие угол, могут двигать конструкцию, обходясь собственными силами. Казалось, что налицо новое явление, однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что и тут работают хорошо известные силы Лоренца и что все объясняется известными законами. И хотя физической новизны ученые здесь не обнаружили, тем не менее удалось придумать несколько удивительных конструкций, до того неизвестных в технике.
Любопытнее ситуация с магнитными опорами. Если одноименные полюса двух постоянных магнитов обратить друг к другу, то магнитного поля в зазоре не будет - это следует из элементарного школьного курса физики. Но если в этот зазор поместить проводник, а полюсы несколько сместить, то в проводнике возникнет ток. Спрашивается, за счет чего?
Этот парадокс обнаружил Бьюли еще в 1935 году. Объяснение его таково: электрические поля можно складывать всегда, а вот магнитные - только в том случае, когда источники их (магниты, электромагниты) базируются на общей платформе. Суперпозиция магнитных полей, то есть наложение их друг на друга, не всегда возможна. Вывод этот для науки и техники чрезвычайно важен — ведь порой теоретическое суммирование на практике приводит к неверным результатам. Удивительно, кстати говоря, что это еще не узаконено справочниками и учебниками (см. «ТМ» № 12 за 1973 г.).
Интересен опыт Грано. Если на ртуть, через которую пропущен ток, бросить гвоздь, медный клинышек, опилки, то они погрузятся в жидкий металл и начнут двигаться в ту сторону, куда смотрит «тупой» конец (см. «Техника и наука» № 2 за 1983 г.).
Парадокс Грано. Медный цилиндр, помещенный в ртуть с пропущенным
через неё током, начинает двигаться вперед тем торцом, площадь которого больше.
И здесь вроде бы работают те же самые силы Лоренца. С конических поверхностей заостренных концов нити тока выходят (или входят) перпендикулярно этим поверхностям. В магнитном же поле тока, текущего в ртути, на эти нити действует сила, перпендикулярная направлению его течения; вот и происходит как бы выталкивание клина. Так Том Сойер стрелял вишневыми косточками, сжимая их пальцами.
Наконец, еще два необычных эксперимента. И вот именно они, на наш взгляд, дают возможность поговорить о новом подходе. Имеются в виду работы томского физика Г. Николаева, вызвавшие сенсацию в электродинамике. После многолетних теоретических изысканий Николаев пришел к выводу, что, кроме известного, должно существовать еще одно, неизвестное второе магнитное поле, я построил множество моделей, на которых наглядно показал, как это второе поле себя проявляет (см.
«Известия вузов. Физика» № 7 за 1979 г.; № 9 за 1980 г.).
Вот одно из описаний «простенького» опыта. В ванны с электролитом ставится плавающий мостик, сделанный из электропроводящего материала. Через цепь «ванна — мостик — ванна» пропускается электрический ток. Параллельно мостику ставится другой проводник — шина, по которому также течет ток, только значительно больший. Так вот, как только шина подсоединяется к источнику тока, мостик начинает плыть. Если токи однонаправленны, то они притягиваются, поэтому мостик встает точно под шиной и параллельно ей. Но мало того, мостик смещается и вдоль шины, останавливаясь точно под ее серединой.
Отчего мостик центрируется? Тут есть над чем подумать. Сам автор эксперимента утверждает — в его словах есть резон, — что на плавучий проводник действует направленная от шины не только поперечная сила Лоренца, но и продольная сила, ранее никем не замеченная. Если назвать се «силой Николаева», то голландский и томский физики в сумме гарантируют, что никаких «боковых» сил, с которыми вот уж два века мучаются физики, нет и в помине. Два тока действуют друг на друга силами центральными, направленными точно по радиусу между ними. Не замечали же силу Николаева лишь по небрежности, а еще потому, что она оказалась лишней в «законченном» теоретическом описании.
Если как следует поразмышлять над опытами Николаева, то приходишь к выводу, что два «кусочка» тока влияют друг на друга совершенно так же, как два заряда: по прямой линии. Только силу Кулона надо немного увеличить, причем как раз на ту «магнитную добавку», о которой говорит В. Алёшинский! Похоже, что опыт Николаева вполне может явиться тем самым решающим опытом, что откроет шлагбаум перед новой, куда более простой, истинной электродинамикой. Впрочем, для этого понадобятся и другие эксперименты.
Любопытно, что еще в 1935 году физики заметили, как сверхпроводящий образец отталкивает от себя «чужое» магнитное поле (эффект Мейсснера). Все твердо знали, что ЭДС наводится только переменным магнитным полем, здесь же оно постоянно. Значит, сказал Ф. Лондон, само магнитное поле дает силу.
Не понимая природы этих сил, инженеры все же воспользовались ими. Так московские электрики еще в 1975 году сумели передать по сверхпроводящей трубке ток, вдвое больший обычного, создав в рабочей зоне специальное магнитное поле (а. с. 628578). Тем не менее, разгадка тайны эффекта Мейссиера сулила слишком многое. Ведь появление тока в сверхпроводнике возможно только при появлении силы, значит, сила создается не приращениями магнитного поля, как диктуют уравнения Максвелла, а самим полем. Электродинамику придется ремонтировать, это неизбежно, ибо она должна стать общим учением, объединяющим самые разные аспекты реальной электротехнической действительности. Ведь в некоторых случаях, в частности для сверхпроводников, она переставала работать.
Но как напрямую связать само магнитное поле и силы, им порождаемые? Как Только зга непривычная постановка вопроса была принята к действию, сразу обозначилось несколько путей ее решения. Тут и специальная, давно применяемая функция вектор-потенциала, к токи смещения, и энергия магнитного поля.
Проблема продольного тока и создаваемого им электрического поля в магнитостатических процессах созрела настолько, что о ней появились даже популярные пересказы (Околот и и В. Сверхзадача для сверхпроводников. «Наука», 1983, с. 115— 121).
Похоже, что это поле уже обнаружено н начинает работать в изобретениях. Появление четвертой по счету электрической силы усилит электротехнику примерно на треть. Может быть, еще важнее другое: победа творческого отношения к своему делу. Оказались правы те, кто верил в резервы электромагнетизма, пытаясь поставить нх на службу людям.
Интересно, сколько непознанного скрыто в других разделах физики? Вероятно, очередной хлад спрятан в механике, в разделе инерции. Поживем — увидим.
Рекомендуем прочитать: Б. ФРАНКЛИН. Опыты м наблюдения иад электричеством. М., Иад. АН СССР, 1956.
Н. ГОЛОВКОВА. Радио плюс техника. «Знание)», «Неука ■ твоей профессии», № 3, 1980. В. ОКОЛОТИН. Этот электрически* мир. с Зияние», «Наука • твоей* профессии», N2*2, 1979.
