вращение тела в магнитном поле
Вращение тела в магнитном поле
Считается, что магнитное поле создается только движущимися зарядами, так называемым молекулярным током и движущимися заряженными телами. Может ли незаряженное движущееся тело создавать магнитное поле, – вопрос, не лишенный смысла. Причиной появления магнитного поля могут быть в том числе и релятивистские преобразования скорости, принципиально отличающиеся от преобразований Галилея. Чтобы понять происхождение такого магнитного поля, достаточно рассмотреть две тождественные частицы, движущиеся со скоростями, равными по величине, но противоположными по направлению. В системе отсчета, связанной с центром масс частиц, суммарная скорость равна нулю. В лабораторной системе отсчета, относительно которой движется центр масс частиц, суммарная скорость нулю не равна. Именно это может стать причиной создания магнитного поля незаряженным движущимся телом [1]. К сожалению, такая простая интерпретация ожидаемого эффекта имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, в реальных проводниках распределение зарядов, даже изотропное по направлениям движения в своей системе отсчета, в лабораторной системе отсчета не является изотропным. Это, в свою очередь, в той или иной степени может существенно подавить эффект. Кажутся нереальными оценки средней скорости классически движущихся в проводнике электронов. Лучше воспользоваться экспериментальными результатами, причем теми, которые могут быть интерпретированы с классической точки зрения. В противном случае, то есть при попытке объединить квантовую механику с классической, можно получить то, что является результатом превышения точности. И самое основное: простые оценки предсказывают аномально большое значение индукции магнитного поля, создаваемого телом, скорость которого относительно лабораторной системы далека от релятивисткой [1]. В экспериментах [2,3] такое, разумеется, не наблюдается. Причина понятна. Это – существенно завышенное значение классической плотности носителей тока в проводнике. С другой стороны, пока нет причин отвергать эффект. Разумных и адекватных оснований для этого пока нет. Поэтому актуальным становится экспериментальное обнаружение эффекта. Экспериментальное исследование явления может стать инструментом, позволяющим выяснить, как на самом деле распределены носители тока в проводнике. Судя по всему, задача должна быть решена в наиболее общем виде, стимулирующем в том числе и планирование эксперимента. Чрезвычайно слабое постоянное магнитное поле, скрытое за магнитными полями Земли, лабораторного оборудования и окружения, обнаружить крайне трудно, а иногда и практически невозможно.
Пусть в системе отсчета X/Y/Z/, движущейся относительно системы отсчета XYZ со скоростью vO, скорость электрона v/ имеет компоненты vx/,vу/,vz/. Тогда в лабораторной системе отсчета XOYOZO, повернутой на угол j вокруг оси Z другой лабораторной системы XYZ (рис. 1), скорость v/ будет иметь компоненты
. (1)
Переход к лабораторной системе отсчета, в точке P которой рассматривается магнитное поле, отвечает преобразованиям поворота:
. (2)
Поскольку скорость u каждой точки вращающейся с угловой скоростью w части тонкого диска мала по сравнению со скоростью света c, то преобразования (1), являющиеся следствиями специальной теории относительности, применимы, даже если одна из систем отсчета, конкретно X/Y/Z/, является вращающейся, то есть, не инерциальной.
Индукция магнитного поля, создаваемого движущимся со скоростью v зарядом dq в точке P лабораторной системы отсчета XYZ равна
, (3)
, (4)
а неизменные векторы z и x определяют положение точки наблюдения P в лабораторной системе отсчета.
Нас будет интересовать Z-компонента индукции магнитного поля, поэтому
. (5)
Пусть dV – элемент объема в системе отсчета XYZ, в системе отсчета X/Y/Z/ ему отвечает элемент объема
. (6)
Так как элемент объема фазового пространства инвариантен по отношению к преобразованиям Лоренца, то инвариантной является и функция распределения [4], поэтому
, (7)
, (8)
.
При малых скоростях u, vx/ и vy/
(9)
. (10)
Поскольку вероятность обнаружить частицу с любыми значениями компонент скоростей vy/ и vz/ в пределах –∝ = /3» /3 – среднее значение квадрата X-компоненты скорости в системе отсчета вращающегося тела.
Обязательно следует обратить внимание на индукцию магнитного поля, создаваемого положительными покоящимися в системе отсчета X/Y/Z/ зарядами:
, (12)
что при условии электрической нейтральности тела –en–+en+=0 означает
. (13)
Удобно ввести автомодельные переменные r=r/a; c=x/a; z=z/a и полагая v/=v, записываем при h ≈1.3⋅1012 м2/с2. Концентрацию носителей тока для того же алюминия удобно оценить, исходя из экспериментальных значений постоянной Холла [5] или термоэлектрических данных [6]: 1/n-e≈3×10-10м3/Кл [5,6]. Это дает n–=4.8⋅1029 м-3. Отсюда при a=2.5 см; h=0.8 см и n = w /2p=50 Гц, получаем
.
Это – более разумное значение по сравнению с тем, что предсказано ранее [1], но, правда, очень завышенное. Для сравнения: индукция магнитного поля Земли как минимум в тысячу раз меньше. Судя по всему, такое чрезвычайно завышенное значение возникло из-за очень большого значения электронной плотности. Не исключено, что слишком большим является и средний квадрат скорости электронов в металле. Проблема осталась: с одной сторона нейтральный вращающийся диск или его часть должны создавать магнитное поле, а с другой – вычисленное значение индукции магнитного поля оказалось слишком большим.
Такой сравнительно громоздкий расчет выполнен не зря. Кстати говоря, для диска (угол раствора сектора a =2p) на оси вращения, то есть при x=0, выражение (14) приобретает чрезвычайно простой вид:
. (15)
То, что следует исключить полностью, так это всякие подозрения, касающиеся справедливости преобразований скорости (1) или корректности постановки задачи. Классический подход к описанию кинематики носителей заряда в металлах удовлетворительно проявил себя в интерпретации закона Ома и закона Био-Савара. Была слабая надежда, что учет распределения по скоростям и по направлениям сведет индукцию магнитного поля либо к очень малой величине, либо к нулю. Этого не случилось. С другой стороны, простота и наглядность конечного результата, справедливость для любой функции распределения – от распределения Максвелла до вероятности обнаружить осциллятор с заданной скоростью – вот почему решение кажется настолько полным, чтобы на это не обращать внимание. Практически нет надежды на прямой расчет, избавленный от разложений (9) и (10). В этом случае индукция магнитного поля обязана зависеть не только от квадрата средней скорости, но и от особенностей функции распределения, а значит, тождественно нулю равна не будет.
Не исключено, однако, что в данной задаче классический подход парадоксальную роль. В любом случае все это полезно. Если есть вопросы, значит рано или поздно должны появиться и ответы. Так устроена природа: то, что должно произойти – рано или поздно случится, и это поле обязательно себя проявит. Пока же ответ приходится ждать только от эксперимента. Именно по этой причине пришлось решить по возможности общую задачу, то есть рассмотреть не вращающий диск, а его часть. Как и ожидалось, в этом случае магнитное поле является переменным (рис. 2). Более того, оно очень быстро спадает с увеличением расстояния z от плоской поверхности вращающегося диска. От угловой скорости вращения индукция магнитного поля зависит линейно. Это даст возможность отличить эффект от того, что может быть вызвано центробежным уходом электронов на периферию диска или его части.
Рис. 1. Вращающееся нейтральное несимметричное тело
Рис. 2. Зависимость индукции магнитного поля от угла поворота при различных расстояниях z от плоской поверхности вращающегося тела
Представление о магнитном поле
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.
Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
Опыты Эйхенвальда и Вильсона
Экспериментальные основания теории относительности
Основной постулат теории относительности Эйнштейн изложил следующим образом:
. не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя. для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же электродинамические и оптические законы. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку.
Предположим, например, что на движущемся судне выполняются опыты по определению скорости звука на открытой палубе и в закрытом помещении – каюте или трюме судна. Законы механики «справедливы» как в одном, так и в другом случае, однако в первом случае – при выполнении опытов на открытой палубе – нужно учитывать скорость движения судна, тогда как в другом – при выполнении опытов в закрытом помещении – нет. Независимость явлений, происходящих в некоторой системе, от состояния покоя системы или ее равномерного и прямолинейного движения и составляет суть принципа относительности для явлений механики, который Ньютон изложил следующим образом:
Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных (подчеркнуто мной – В.П.) в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Таким образом, в механике Ньютона принцип относительности оказывается верным не для всех координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно без вращения, но только для таких, в которых тела оказываются «заключенными» в этих системах.
Как подчеркивал Галилей, при выполнении каких-либо опытов в закрытой каюте движущегося судна движение судна «обще» всем предметам, также и воздуху (в каюте – В.П.):
. Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой корабля. движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, также и воздуху (в помещении под палубой корабля – В.П.).
Предположим, далее, что на открытой палубе движущегося судна установлена какая-то емкость с жидкостью. И в этом случае скорость звука в жидкости также будет одинаковой независимо от скорости движения судна, поскольку и в этом случае движение судна «обще» и емкости, и находящейся в ней жидкости. Таким образом, явления механики будут одинаковы в том случае, когда состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения координатной системы, в которой описываются эти явления, и состояние покоя или движения среды, заполняющей эту систему, будут «общими». Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, введем понятие «замкнутой физической системы», как такой системы, движение которой полностью передается среде, заполняющей эту систему. Тогда независимость явлений механики от состояния движения такой системы, или принцип относительности, можно сформулировать следующим образом:
Явления механики, происходящие в замкнутой системе координат, одинаковы, покоится эта система или же движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Теперь, если мы хотим распространить или обобщить принцип относительности для явлений механики также и на оптические и электродинамические явления, необходимо установить, прежде всего, возможность существования замкнутых систем относительно некоторой среды, заполняющей мировое пространство и «пронизывающей собой», как выразился Эйхенвальд, все тела, назовем ли мы эту среду «физическим вакуумом» или «светоносным эфиром», разумеется, если такая среда вообще существует и движение относительно этой среды сопровождается какими-либо явлениями, соответствующими скорости такого движения. Известно, что Эйнштейн исходил из предположения, что «светоносный эфир» вообще не существует, поэтому вопрос о возможности существования замкнутых по отношению к «светоносному эфиру» систем у него вообще не возникал. Современная наука считает, что «светоносный эфир» и физический вакуум – два различных названия одной и той же реальной физической среды. Вместе с тем, общепризнанным (что не обязательно означает – правильным) является мнение, что движение относительно этой среды не сопровождается какими-либо оптическими или электродинамическими явлениями. Посмотрим, насколько это мнение соответствует реальной физической действительности.
В 1838 г. Фарадей предположил, «. что если подвесить заряженный шар и заставить его двигаться в определенном направлении, то эффект будет равен тому, как если бы мы возбудили ток в направлении движения шара» [1]. Следовательно, электрический ток представляет собой поток электрических зарядов, движущихся в одном направлении. Как следует из электромагнитной теории Максвелла, движущиеся электрические заряды порождают в окружающем их пространстве магнитное поле. Возникает, однако, вопрос, что такое заряд движущийся и неподвижный? Относительно чего следует измерять скорость движения заряда? Предположим, некоторое количество электрических зарядов движется вместе с Землей. Будет ли в этом случае движение зарядов сопровождаться возникновением магнитного поля? Решение этого вопроса предложил Герц. «Герц исходил из того, что эфир полностью увлекается телами. По Герцу, на электромагнитных явлениях не сказывается не только движение Земли по орбите, но и ее суточное вращение. Опыты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда, Вильсона. указывают на. слабое место теории Герца – молчаливо допускается полное увлечение. эфир должен двигаться с той же скоростью, что и тела, должен полностью увлекаться как внутри, так и вне тел» [2].
В 1876 г., как об этом пишет Л.И. Мандельштам, «. Роуланд взял два позолоченных стеклянных диска, между которыми вращался оклеенный золотой фольгой эбонитовый диск (рис. 1). Обкладки на диске заряжались, скажем, положительно, а обкладки на стекле заземлялись. Астатическая магнитная стрелка была подвешена над верхней стеклянной крышкой, и при вращении эбонитового диска наблюдалось отклонение этой стрелки. »
Рис. 1. Схема опыта Роуланда
Рис. 2. Схема опыта Рентгена
«Несколько лет спустя (1888 г.) Рентген провел другой опыт – с поляризованным диэлектриком. Между разноименно заряженными обкладками вращался диск из незаряженного изолятора (рис. 2). Отклонение стрелок магнитометра показывало, что и в этом случае возникает ток. Рентген добивался высокой чувствительности устройства. Однако он не смог получить необходимой точности. Количественные результаты были достигнуты Эйхенвальдом в 1904 г.» [1]. Как показали опыты Эйхенвальда с вращающимися дисками, величина тока, создающего магнитное поле, соответствует формуле Герца.
Согласно общепринятой точке зрения, «. внутренние стороны стеклянных дисков и обе стороны эбонитового диска. представляют собой обкладки конденсатора. В опытах Роуланда и Эйхенвальда один диск заряженного конденсатора двигался относительно другого, неподвижного диска, или заряды обоих дисков двигались относительно среды, находящейся между дисками. В опытах с вращающимся диэлектриком поверхностные заряды диэлектрика двигались относительно неподвижных зарядов на дисках конденсатора. При вращении дисков конденсатора вместе с помещенным между ними диэлектриком относительного перемещения зарядов не было, однако и в этом случае возникало магнитное поле». [3].
Предположим, что диски конденсатора вращаются вместе с помещенным между ними диэлектриком. В этом случае относительного перемещения зарядов нет – имеет место перемещение зарядов относительно среды между дисками. Величина тока соответствует формуле Герца. Средой между дисками в опытах Эйхенвальда является воздух, однако опыты Эйхенвальда нетрудно повторить в вакуумной камере. В этом случае средой между дисками окажется чистый вакуум или эфир. Тогда причиной возникновения магнитного поля следует считать движение зарядов относительно эфира, находящегося между дисками. Тот факт, что величина магнитного поля оказывается пропорциональной скорости вращения дисков, означает, что внешний по отношению к движущимся дискам эфир совершенно не увлекается их движением.
Предположим, далее, что вращается только диск из диэлектрика. Известно, что заряды на диэлектрике не могут перемещаться относительно его поверхности и при вращении диэлектрика будут вращаться вместе с ним с той же скоростью и в том же направлении, что и диэлектрик. Заряды на металлическом диске, в отличие от зарядов на диэлектрике, могут перемещаться относительно его поверхности. Будучи связаны с зарядами на диэлектрике общим для них электрическим полем, заряды на поверхности металлического диска будут вращаться в ту же сторону и с той же скоростью, что и заряды на поверхности диэлектрика. Относительного перемещения зарядов нет и в данном случае, имеет место перемещение зарядов относительно среды между дисками.
Предположим, наконец, что вращается только металлический диск. Так как диск из диэлектрика неподвижен, неподвижны и заряды на его поверхности. Заряды на поверхности металлического диска, связанные с зарядами на поверхности диэлектрика общим для них электрическим полем, также остаются неподвижными – нет не только относительного перемещения зарядов, но и движения зарядов относительно среды между дисками. Тем не менее, и в этом случае возникает магнитное поле, величина которого опять-таки соответствует формуле Герца. При вращении только диска из диэлектрика или одновременном вращении металлических дисков и диска из диэлектрика можно предположить, что причиной появления магнитного поля в этих случаях является вращение электрических зарядов относительно магнитной стрелки. Однако при неподвижном диске из диэлектрика нет не только относительного движения зарядов или их движения относительно среды между дисками, но и движения зарядов относительно магнитной стрелки. Что же является причиной возникновения магнитного поля в этом случае? Предположим, что эфир не только окружает тела, но и содержится внутри них. Тогда возникновение магнитного поля при неподвижном диэлектрике можно объяснить движением зарядов относительно эфира, заключенного внутри вращающегося металлического диска. Тот факт, что величина магнитного поля и в этом случае пропорциональна скорости вращения металлического диска, означает, что эфир внутри движущихся тел полностью увлекается их движением. Соответствие результатов опытов Эйхенвальда с вращающимися дисками формуле Герца означает, что теория Герца требует полного увлечения эфира внутри движущихся тел и полного его не увлечения вне движущихся тел.
Таким образом, единственной причиной возникновения магнитного поля в опытах Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда является движение электрических зарядов относительно эфира – при вращающемся диске из диэлектрика имеет место движение зарядов относительно эфира, находящегося между дисками, при неподвижном диске из диэлектрика – движение зарядов относительно эфира, заключенного внутри металлического диска. Опыты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда доказывают, что внешний по отношению к движущимся телам эфир совершенно не увлекается их движением. Это предоставляет возможность обнаружить «эфирный ветер», обусловленный орбитальным движением Земли, с помощью опытов, аналогичных опытам Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда. Известно, что в одной из серии опытов Эйхенвальд заменил вращательное движение диэлектрика возвратно-поступательным. Схема опытов Эйхенвальда изображена на рис. 3.
Рис. 3. Схема опыта Эйхенвальда
Диэлектрик помещался между двумя пластинами и мог двигаться возвратно-поступательно. В отличие от опытов с вращающимися дисками, прибор можно установить так, что направление возвратно-поступательного движения диэлектрика окажется параллельным направлению орбитального движения Земли. Тогда величина магнитного поля, обусловленного движением диэлектрика относительно эфира, должна быть пропорциональной величине
в зависимости от направления движения диэлектрика (здесь vо – скорость орбитального движения Земли, vд – скорость возвратно-поступательного движения диэлектрика).
Эйхенвальд установил, что величина магнитного поля в опытах с возвратно-поступательным движением диэлектрика соответствует формуле:
и не зависит от направления движения диэлектрика по отношению к направлению орбитального движения Земли (в этой формуле ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, v – скорость движения диэлектрика относительно пластин, E – величина заряда на пластинах). Таким образом, считает Л.И. Мандельштам, «. в теории Герца получается абсурдный результат, что при ε = 1, т.е. при переходе к вакууму, ток не пропадает, так как у Герца i = ε·|vE|». В действительности, между опытами Эйхенвальда и теорией Герца никакого противоречия нет:
Формулу (1) можно записать в виде:
где ε0 = 1 – диэлектрическая постоянная воздуха, откуда следует:
При переходе к вакууму, т.е. при удалении диэлектрика из пространства между пластинами, все заряды одной пластины будут взаимодействовать со всеми зарядами другой – величина магнитного поля в этом случае будет соответствовать формуле Герца, так как в этом случае все заряды одной пластины будут взаимодействовать со всеми другой пластины. Таким образом, при переходе к вакууму ток действительно не пропадает.
Существенно важным результатом опытов Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика является не несоответствие формуле Герца, на котором сосредоточивает свое и наше внимание Л.И. Мандельштам, а полная независимость результатов этих опытов от движения Земли, которую, т.е. независимость результатов опытов от движения Земли, именно и нужно объяснить. Сам Эйхенвальд так прокомментировал результаты своих опытов: «Так как электромагнитные явления представляют собой единственную, известную в настоящее время связь материи с мировым эфиром, то естественным является вопрос, не сопровождается ли движение материи в электромагнитном поле движением самого эфира. Вопрос этот. решается в отрицательном смысле на основании наших опытов с диэлектриками, движущимися в электрическом поле. Все вместе взятое позволяет сделать следующее заключение: то, что мы называем в настоящее время мировым эфиром и что проникает собой все материальные тела (т.е. содержится во всех материальных телах – В.П.), мы должны считать неподвижным даже внутри самой материи, находящейся в движении».
Итак, движение материи (материальных тел) не сопровождается движением эфира – «Вопрос этот. решается в отрицательном смысле. ». Следовательно, эфир вне движущихся тел совершенно не увлекается их движением. Вместе с тем, эфир «. следует считать неподвижным даже внутри. » движущихся тел. Это означает, что эфир внутри движущихся тел полностью увлекается их движением, вследствие чего внутри движущихся тел «эфирный ветер» не возникает.
Как свидетельствует Л.И. Мандельштам, Вильсоном был выполнен и такой опыт: «. он заставлял вращаться полый цилиндр из незаряженного диэлектрика в магнитном поле, направленном по оси (рис. 4).
Рис. 4. Схема опыта Вильсона
К металлическим обкладкам цилиндра присоединялся электрометр, который показывал, что при вращении цилиндра между обкладками появляется напряжение».
Как объясняет У.И. Франкфурт, «внутри цилиндра возникает радиально направленное электрическое поле. В металлическом цилиндре при этом происходит перемещение электронов проводимости к внешней поверхности цилиндра. Электроны проводимости перемещаются до тех пор, пока заряд на внешней поверхности цилиндра не создаст поле, которое не уравновесит силу Лоренца, действующую на электроны находящиеся в цилиндре. Между внешней и внутренней поверхностями цилиндра возникает разность потенциалов и при соединении проводником в нем пойдет ток. Вильсон экспериментально подтвердил, что теория Герца, исходящая из полного увлечения эфира, не соответствует действительности. », т.к. величина заряда оказывается пропорциональной |ε – 1| а не ε, как это следует из теории Герца.
По мнению Л.И.Мандельштама, «Опыт Вильсона также можно схематизировать, заменив вращение поступательным движением. Диэлектрик движется между обкладками и пронизывается магнитным полем, перпендикулярным к плоскости рисунка (рис. 5). Конденсатор. шунтируется электрометром. ».
Рис. 5. Схема опыта Вильсона с поступательным движением диэлектрика
В данном случае величина заряда, образующегося на обкладках конденсатора, оказывается пропорциональной ε, как это и следует согласно теории Герца. Таким образом, как будто получается новое противоречие. В действительности, никакого противоречия нет.
В опыте с поступательным движением диэлектрика заряды возникают на участках обкладок конденсатора, ограниченных размерами находящегося между ними диэлектрика. Так как размеры этих участков на каждой из пластин одинаковы, одинаковым будет и заряд, возникающий на каждой из обкладок.
В опыте Вильсона радиус внешней поверхности цилиндра больше радиуса его внутренней поверхности на величину, равную толщине стенки цилиндра. Следовательно, и площадь внешней поверхности цилиндра, и линейная скорость ее вращения больше площади и линейной скорости вращения внутренней поверхности цилиндра. Поэтому количество зарядов, возникающих на внешней поверхности, больше количества зарядов, возникающих на внутренней поверхности, вследствие чего потенциал внешней поверхности оказывается выше потенциала внутренней поверхности. Таким образом, опыт Вильсона нисколько не противоречит теории Герца. Удивительно, как легко пренебрегают истиной представители официальной науки!
Суть опыта Вильсона заключается вовсе не в проверке истинности или ошибочности теории Герца. Предположим, что конденсатор жестко соединен с Землей. Тогда при вращении этого конденсатора вместе с Землей в ее магнитном поле можно ожидать появления на его обкладках заряда, соответствующего скорости суточного вращения Земли, если только вращение Земли сопровождается возникновением в ее атмосфере «эфирного ветра». Был сконструирован жестко связанный с Землей конденсатор, который мог вращаться. Предполагалось, что при зарядке этого конденсатора последний приобретет вращательный момент, обусловленный стремлением линий, соединяющих центры зарядов, расположиться перпендикулярно направлению движения эфира, обусловленного движением Земли. В экспериментах, поставленных Траутоном и Наблом в 1903 г., Томашеком в 1925 г., Чейзом в 1926 г. вращения конденсатора не наблюдалось. Как и в опытах Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика, «эфирный ветер», обусловленный движением Земли, не обнаруживается.
Заключение
Анализ результатов опытов Рентгена, Роуланда, Эйхенвальда, Вильсона позволяет заключить следующее:
1. По крайней мере, в электродинамике одни свойства явлений соответствуют состоянию движения относительно эфира, тогда как другие – отсутствию такого движения. Так, при движении пластин с электрическими зарядами на их поверхности возникает магнитное поле, величина которого соответствует скорости движения зарядов относительно эфира, находящегося между пластинами, или заключенного внутри пластин. Точно так же, при движении конденсатора в магнитном поле на его обкладках возникает заряд, величина которого соответствует скорости движения конденсатора относительно окружающего его эфира. Вместе с тем опыты Санька, Погани, Физо, Гаррэса свидетельствуют, что и в оптике движение наблюдателя (приборов) относительно эфира, как и движение эфира, увлекаемого движением жидкости или прозрачных кристаллов, относительно наблюдателя всегда сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями – изменением интерференционной картины, соответствующей скорости движения.
2. Внешний по отношению к движущимся твердым телам эфир совершенно не увлекается движением этих тел, тогда как эфир внутри движущихся твердых тел полностью увлекается их движением, вследствие чего внутри движущихся твердых тел «эфирный ветер», обусловленный движением этих тел, не возникает. Полное увлечение эфира внутри движущихся твердых тел означает полную непроницаемость этих тел для внешнего по отношению к этим телам эфира.
Непроницаемость твердых тел для внешнего по отношению к этим телам эфира нельзя объяснить слишком плотной упаковкой атомов и молекул твердых веществ – известно, что расстояния между атомами и молекулами любых веществ значительно превышают размеры атомов и молекул. Известно также, что силы сцепления атомов и молекул твердых веществ имеют электромагнитную природу. Это дает основание предположить, что именно электромагнитное поле взаимодействия атомов и молекул твердых веществ и обеспечивает непроницаемость твердых тел для внешнего по отношению к ним эфира.
Известно, что силы сцепления молекул жидкости также имеют электромагнитную природу. Это дает основание утверждать, что не только твердые тела, но также и жидкости непроницаемы для внешнего по отношению к ним эфира.
Известно, наконец, что такие свойства газов, как вязкость и теплопроводность, также объясняются электромагнитным взаимодействием между молекулами газа. Известно, что вязкость и теплопроводность газов «. не зависят от давления, так что и здесь мы переходим к вакууму без постепенного уменьшения вязкости и теплопроводности».(Л.И. Мандельштам). Таким образом, если вязкость и теплопроводность газов означают наличие электромагнитного взаимодействия между его молекулами, то отсутствие вязкости и теплопроводности газа означает и отсутствие электромагнитного взаимодействия между его молекулами. Неважно, соответствует или нет состояние газа с нулевой вязкостью и теплопроводностью определению «физический вакуум». Важно то, что газ с ненулевой вязкостью оказывается непроницаемым для внешнего по отношению к нему эфира, тогда как газ с нулевой вязкостью – полностью проницаемым для внешнего по отношению к нему эфира. Так как переход газа из состояния с ненулевой вязкостью к состоянию с нулевой вязкостью происходит скачкообразно, переход газа из состояния полной непроницаемости по отношению к эфиру в состояние полной проницаемости также происходит скачкообразно. Никакому состоянию газа не соответствует состояние его частичной проницаемости или частичной непроницаемости для эфира – газ либо полностью непроницаем для эфира, либо полностью проницаем.
Известно, что вблизи поверхности Земли вязкость ее атмосферы не равна нулю – атмосфера Земли вблизи ее поверхности непроницаема для эфира, поэтому «эфирный ветер», обусловленный движением Земли, вблизи ее поверхности не возникает и обнаружить его по этой причине невозможно никаким образом, что и подтверждают опыты Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика, опыты Траутона и Набла, Томашека и Чейза, Майкельсона – Морли, наконец. Остается убедиться, что предположение о полном увлечении эфира атмосферой Земли при ненулевой ее вязкости не противоречит, или напротив – противоречит известным оптическим явлениям и опытам.