XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Концепция о физической реальности электрических и магнитных полей была введена физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем в 1845 году. Магнитную силовую линию, - писал Фарадей, - можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда её перемещают в ту или иную сторону по направлению её длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появиться никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует.

Известны способы описания полей при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов. Считается, что поле – это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Тем не менее с объяснением того, в чем заключается эта «особость» возникают серьезные трудности. Фарадей считал этот вопрос открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать…». Ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла [1]. Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Недопонимание природы поля приводит к появлению ошибочных представлений, появлению рисунков с невозможными магнитными линиями.

Рис.1 Ошибочное соединение линией одноименных полюсов

Например, на рисунке 1 размещенном на общедоступных сетевых ресурсах представлена прямая линия, связывающая одноименные полюса, что в действительности невозможно и не подтверждается экспериментом с железными опилками. Проблема ошибочной визуализации магнитных линий в виде потенциальных линий, связана с их визуальной «невидимостью», поэтому приходится додумывать, дорисовывать.

Принято, что силовые линии магнитного поля представляют собой кривые линии, Рис.2. Данное представление в виде простых линий не позволяет определить причину их сцепления и симметричности. Указание направление «исходящих» или «входящих» линий весьма условно.

Рис. Линии магнитного поля

Гипотеза: допустим, что пространственные формы магнитных полей формируются в зависимости от направления вращения и столкновения магнитных частиц.

Тема исследования: представить взаимодействие магнитных линий магнитного поля через движения магнитных частиц.

Линии магнитного поля

В исследовании рассмотрим представление силовой линии в виде вращающегося магнитного микро-потока (ММ-поток) упругих магнитных частиц (МЧ) [2]. В этом случае силовая линия рассматривается как сложная динамическая система, формирующая двунаправленный поток от полюсов магнита. Диаметр отдельного ММ-потока зависит от пространственного положения силовой линии. При выходе с полюса магнита диаметр вращения МЧ минимален, при этом поступательная скорость движения МЧ максимальная. Поперечный срез магнитных микро-потоков представляет собой объемную сотовую структуру, рис.3. Каждый ММ-поток всегда окружен шестью соседними. ММ-потоки имеют параметры, относящиеся к кинетическим частицам: диаметр вращения, количество движущихся частиц, скорости вращательного и поступательного движения МЧ.

Рис.3 Участок микромагнитных потоков в поперечном разрезе

Параметры могут незначительно изменяться, но сотовая структура сохраняется во всем пространстве. Совокупность ММ-потоков через поверхность составляет общий магнитный поток. Магнитное поле рассматривается как фрактальная структура [3], которая занимает всё пространство во Вселенной и имеет максимально возможную размерность равную 3. Силовые линии/микро-потоки пронизывают не только окружающее пространство магнита, но и находятся внутри. Кроме того, космические объекты как магнитные тела взаимодействуют между собой и образуют сложные формы магнитных полей в космологических масштабах.

Отталкивание микро-потоков магнитных частиц

Круговые вихревые потоки обеспечивают оптимальный вид движения, способствующий максимальному переносу вещества (МЧ). Направление переноса от полюса к полюсу в магнитном микро-потоке двунаправленное. По внешнему диаметру ММ-потоку идет движение МЧ в одну сторону, по внутреннему в противоположную. Эшелоны движения МЧ по поверхности ММ-потока достаточно близки, при этом внешний обладает более высокой суммарной энергией. Внутри ММ-поток пуст, зато по контуру имеет максимальную плотность из МЧ. Движение в ММ-потоке упорядоченно, соседние частицы приобретают общее направление поступательной скорости, при этом отталкивание МЧ друг от друга минимально. Кинетическая энергия ММ-потока суммируется из составляющих его частиц. Напряженность магнитной линии выражается в общей кинетической энергии ММ-потока и является функцией от количества МЧ в ММ-потоке, поступательной скорости МЧ и радиуса ММ-потока.

Масса электромагнитного поля, заключённая в единице объема, несоизмеримо мала по сравнению с массой (плотностью) всех известных веществ. Даже при максимально достижимых в настоящее время значениях напряженностей электрического и магнитного полей масса поля в единице объема оказывается равной 10^-12 ... 10^-17 кг/м³. Тем не менее наличие массы поля имеет принципиальное значение, поскольку в этом отражена известная инерционность процессов в электромагнитном поле [4].

Для существования ММ-потока необходимо наличие соседних ММ-потоков, которые обуславливают его круговую форму. Множество ММ-потоков аккумулируют колоссальную суммарную кинетическую энергию и способны упорядочить значительные пространства неупорядоченных свободных МЧ, которые не могут оказать им существенного противодействия. ММ-поток сохраняет свою целостность на все своем протяжении и не может разделится на несколько. Направление и отклонение ММ-потока зависит от разницы взаимодействия\давления окружающего его шести ММ-потоков.

Заметим, что соседние ММ-потоки, вращающиеся в одном направлении, от многочисленных упругих соударений МЧ постоянно отталкиваются. Таким образом форма отдельного постоянного магнита — это уравновешенная система между расталкиванием ММ-потоков и давлением внешних\сторонних ММ-потоков.

Симметрия пространственной форма магнитного поля стержневого магнита нарушается при изменении внешнего поля или приближении другого магнита. Известно, что при одинаковой ориентации полюсов двух магнитов линии отталкиваются, рис.4.

 

Рис.4 Отталкивание ММ-потоков при совпадении направления вращения

Исходящие ММ-потоки с «северного» полюса имеют «правостороннее вращение», соответственно исходящие ММ-потоки с «южного» полюса имеют «левостороннее» вращение. Это определяется известным «правилом буравчика» [5]. Вернее «правило буравчика» основано на направлении винтового вращения МЧ. В зависимости от направления вращения ММ-потоков различаются два типа взаимодействия МП: отталкивание или притягивание. На верхнем рисунке, соприкасающиеся ММ-потоки от разных магнитов отталкиваются, как и внутренние ММ-потоки магнита.

Направление вращения ММ-потоков совпадает, а направление соударений МЧ соприкасающихся ММ-потоков является встречным. Релятивистская скорость соударения встречных МЧ равна 2V. Происходит не лобовое столкновение, а по касательной. Обмениваясь импульсами, МЧ сохраняют скорость, изменяя направление на небольшой угол. Общая кинетическая энергия ММ-потока остается постоянной.

Пересцепление микро-потоков

Отдельный постоянный магнит содержит определенное количество ММ-потоков. Их количество постоянно. Каждый ММ-поток соединяет два полюса, и постоянен во времени.

Второй тип взаимодействия ММ-потоков противоположен первому, если магниты ориентированы противоположно. Соприкасающиеся ММ-потоки от разных источников имеют различное направление вращения. В этом случае на границе соприкосновения магнитных полей направление движения МЧ соседних ММ-потоков совпадает. Относительная скорость соударяющихся МЧ из соседних ММ-потоков будет близка к нулю. Соударение будет происходить, если микроскопические МЧ приблизятся к друг другу, но вероятность такого события не велика. Большинство частиц просто пролетят мимо друг друга, направляясь во внутренние пустые пространства ММ-потоков. Разно вращающиеся ближайшие ММ-потоки не будут отталкиваться на внешней границе, т.к. составляющие их МЧ не имеют упругих соударений на больших скоростях.

Потоки легко проходят через плотные границы МЧ внутрь друг друга. ММ-поток внутренний и ММ-поток внешний имеют противоположные направления. Результат такого расположения приводит к разрушению обоих потоков в месте соприкосновения. Поступающие новые МЧ в месте разрыва ищут новые пути для движения. Два разорванных ММ-потока от разных источников ослаблены и отталкиваются от соседних и меняют направление на 90º. ММ-потоки находят новый путь в качестве пустого пространства встречного ММ-поток другого магнита. Два разорванных, ослабленных ММ-потока соединяются и образуют единый полноценный ММ-поток, который соединяет два различных полюса, двух магнитов.

Разрыв потоков происходит только при переходном процессе. При установившемся равновесии потоки стабильны и не разрываются. Известно, что противоположные полюса всегда притягиваются и вызвано это тем, что встречные ММ-потоки не отталкиваются.

 

Рис.6 Сцепление ММ-потоков

При отсутствии движения постоянных магнитов достигается равновесное состояние, когда ММ-потоки объединились, т.е. в потоке восстановилось двунаправленное движение МЧ. Пространственная форма магнитного поля двух одинаковых магнитов представляет собой симметричную форму, Рис. 6. Распределение ММ-потоков происходит в зависимости от их взаимодействия и отталкивания.

Распространение магнитного поля

Рассмотренные взаимодействия относятся к стационарным магнитным полям неподвижных магнитов. При значительных ускорениях магнитное поле представляет собой ударный фронт, рис. 7. Ударный объемный фронт состоит из множества расходящихся (отталкивающихся) ММ-потоков. Наступающие ММ-потоки, поддерживая друг друга, сохраняют кинетическую энергию, которая разрушает любые слабые встречные магнитные ММ-потоки.

 

Рис.7 Наступающий фронт из ММ-потоков

Наступление будет происходить до тех пор, пока не появятся на пути ММ-потоки с энергиями равными или выше. Тогда атакующий фронт развалится. В зависимости от направления вращения встречных ММ-потоков, наступающие ММ-потоки либо объединяются со встречными, либо отталкиваются от встречных.

Реальная форма магнитного поля

Форма магнитного поля постоянного линейного магнита в учебниках представляют симметричной относительно оси и полюсов [6]. Такая форма весьма идеализирована. При измерении магнитометрами пространственная форма магнитного поля магнита на расстоянии нескольких десятков сантиметров перестает быть симметричной.

Нарушение симметрии вызвано влиянием внешних магнитных полей: поля Земли или другого магнита. В зависимости от ориентации во внешнем поле происходит растяжение или сжатие пространственной формы магнитного поля отдельного магнита. Несколько магнитов образуют невероятные переплетения и узоры магнитных ММ-потоков.

Заключение

В исследовании рассматривается представление силовых магнитных линий в виде микро-потоков кинетических магнитных частиц. Движение в ММ-потоке носит упорядоченную форму движения и является наиболее эффективным видом переноса вещества в пространстве. Рассмотрены основные параметры, относящиеся к магнитным ММ-потокам. Установлено, что каждый ММ-поток окружают шесть соседних ММ-потоков, диаметр которых может постепенно изменяться. Существование одиночного ММ-потока представляется не возможным. ММ-потоки существуют только в общей системе. Взаимодействие с внешними ММ-потоками происходит в зависимости от направления вращения. При совпадении направления вращения ММ-потоков потоки отталкиваются. При противоположном направлении вращения ММ-потоки объединяются, формируя наикратчайшие пути движения МЧ между полюсов.

Представление силовых линий в виде вращающихся потоков позволяет описать поведение и форму пространственного магнитного поля, выявить причины отклонения магнитных линий, причины отталкивания и притяжения полюсов магнита. Кроме того, вращающиеся потоки МЧ позволяют описать теорию магнитного поля без использования магнитного монополя, который до сих пор так и не обнаружен.

Установленные причины динамического поведения линий магнитного поля позволяют определять форму магнитного поля более точно с обязательным учетом влияния внешних магнитных полей.

Выводы

Гипотеза имеет научную новизну и имеет теоретическое обоснование. Гипотеза истинна.

Список литературы

Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм. М.: Издательство АСТ. 2021. 304с.

Карякин А.А., Карякин А.В., Карякина И.В. Кинетическая природа магнитных линий. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2021. № 10. с. 100-105.

Карякин А.А., Карякин А.В., Карякина И.В. Фрактальная структура магнитного поля. Научное-обозрение. Физико-математические науки. 2021. № 1.

Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: учебник для бакалавров / Л. А. Бессонов. М.:Издательство Юрайт, 2016. 317 с.

Дельцов В.П., Дельцов В.В., Физика: дойти до самой сути! Настольная книга для углубленного изучения физики в средней школе. Электромагнетизм: Учебное пособие, Изд. ЛЕНАНД. 2017. 240 с.

Плетнев С. В. Магнитное поле, свойства, применение: Научное и учебно-методическое справочное пособие. СПб.: Гуманистика, 2004. 624 с.

Код для цитирования: Скопировать