Вход

Экспериментальное подтверждение двойственности свойств магнитного поля

Реферат по физике
Дата добавления: 22 сентября 2009
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 753 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
1. Природа двойственности . П ространственн ые распределения векторных магни т ных потенциалов поля элемента однонаправленного ток а зарядов А = f ( J ) , (1) и скалярных потенциалов поля гипотетическ ого монопол я Дирака ц m = f ( m ) (2) различ аются следующим образом . У токового поля эк випотенциальны е поверхност и имеют вид концентр ичны х цилиндр ичес ки х оболоч ек , преоб разующи е ся в себя при п о воротах вокруг своей оси. У зарядово го поля эквипотенциальны е поверхност и подобн ы концентричным сферическим обо лочкам , преобразующ и мся в себя при любом простра н ственном повороте относительно своего центра . Очевид но, что п отенциально е шароо б разное магнитно е пол е геометрически симметричнее цилиндрообразного циркуляцио н ного . Поскольку симметрии причины и следствия не могут быть разными, то природа д войствен ност и магнитного поля обусловлен а двумя видами геометрической симметрии его источник ов . Это согласуется с тем, что плотность тока в (1) описывается цил индр о образным аксиальным векторм, а магни тный заряд в (2) – ша рообра з ным скаляром [1] . В статье будет дано теор етическое обоснование и опытное подтверждение тому , что бо лее симметричным по отношению к однонаправл енно му локальному ток у зарядов ( J ) может быть не только гипотетический монополь Дирака ( m ) , но и локальная идеализация сферического центрально-симметричного распределения токовых элементов, которому соответствует такая же симметрия поля магнитн ых потенциалов | A | = f (| J | ) . ( 3) Скалярный характер шарообразного источника и его поля магнит ных потенциалов об у словлен о тсутствием выделенного у н их пространственного направления . П ре дложенная локальная идеализац ия имеет практически реализуемы й протяжённы й аналог в ви де рас ширения (сжатия) электрически заряженной упругой сферической об о лочки. 2 . Двойственность локально й идеализации токового источника . Локальная с овокупно сть произвольно направленных элеме нтов ток а зарядов характеризуется су м марным однонаправленным вектором . При центрально-симметричном распределении векторов пло тности тока г еометрич е ское суммирование даёт в итоге нул ь-вектор . Аналогичный результат получается для коллинеарн ых токам векторов магнитного потенциала (Рис.1 ). ∑ J ∑ J = 0 ∑ А = 0 Рис.1 Как и в любой магнитостат ической ситуации, в централ ьно-симметричной , радиал ь но движущиеся вслед за своими зарядами электрические поля обладают кинетическими энергиями положительного знака . В отличии от т оковых и полевых векторов они взаи м но не компенсируются. Следовательно, скалярн ая сумм а кинетических энергий имеет конечную величину, которой эквивалентно общее магнитное п оле. Выявленное истинное противоречие между наличием конкре тного количества ма г нитной энергии и нул ь-векторным описанием источника и его магнит ного поля имеет фундаментальную основу. Скалярное суммирование кинетических энергий подчиняется при нципу сохранения энергии. А геометрическое суммирование токовых и полевых ве к торов – принципу суперпозиции . Суть разрешения противоречия яс на. Е сли есть магнитная энергия, то должно быть конкретное описание источника магнитного поля . И самого поля с конкретным магни т ным свойством . Поскольку м атематически корректны е , но физически иррациональны е , нуль-вектор ы тока и магнитного потенциала для этих целей не годится, то з аменой им мо гут быть ск а лярн ые сумм ы модулей векторов , содержащие колич ественные характеристики ∑ J ≡ | J | , ( 4) ∑ А ≡ | А | . (5) Отсутствие у обоих скалярн ых сумм выделенного пространственного направления согл а суется с шарообразной симметри ей локальной магнитос татики . П ереход от неизбежного нуль-вектор ного результата к логически о правданно й ск а ляр но й сумме модулей (4) является теоретическим об основанием двойственности л о кальных токо в J = с V , ( 6 ) | J | = с | V | . ( 7 ) Разные по своей геометрической симметрии причины --цилин дрообразный и шароо б разный токи-- порождают соответствующие им следствия - цилиндрообразное и ша р о образное поля магнитных напряжённостей J = rot H , ( 8 ) | J | = div | H |. ( 9 ) 3 . Двойственность магнитн ой сил ы . На рисунке. 2 изображ ена идеализация пр о тяжённы х акс иальны х центрально-симметричн ы х ток ов из [ 2 ] , [ 4 ] . i 1 i 2 ∑ V Продольная магнитная сила Q Рис.2 П оля токовых зарядов воздействуют на ортогонально движущийся (сближающийся) пробный за ряд. В соответствие с идеей Э.Парселла [ 3 ] п ример рассматривается в системе покоя пробного заряда. В этом сл учае токовые заряды участвуют в двух движениях – вдоль проводника и в о тносительном сближении с пробным зарядом, что приводит к наклонам «сплю щенных» диаграмм силовых линий. Очевидн о, что продольная напра в ленность магнитной силы обусловлена центральной симметрией наложе ния на пробный заряд релятивистски сгущённых и разряжённых электрических силовых ли ний , что, в свою очередь, обусловлено центральной симметрией движения токовых зарядо в . К артина центрально-симметричного наложения силовых линий сохраняется при з а мене аксиальн ых центрально-симметричных двухзарядовых то ков движением зарядов одного знака вместе с р асширяющееся (сжимающейся) сферической оболочкой. Абстрактная локальная идеализация сферичес кого распределения токовых элементов имеет протяжённый аналог. Однако, образуемое таким образом реальное потенциальное магнитное поле недоступно опытной регистрации ввиду своей малости . В подтвержд а ющих экспериментах использовались электротоковые источн ики. Как с разнесённ ы ми, так и с совмещённым и центрально-симметричными токами зарядов. 4. Опытное обнаружение безвихревого вида электромагнитной инд укции . Реша лась з адача регистрации нагрева алюминиев ой втулка возвра тно-поступательными индукционными токами . В качестве дипольного источник а потенц и ального магнитно го поля использовал и сь центрально-симметричные токи в пар е рядом расположенных многовитковых ( n = 300) прямоугольных рамок . На линии симметрии , (на расстоянии L = 6 см. от о дной из двух пар разнесённых противотоков ) распол а галась алюминиевая втулка с полу проводниковы м стабилитрон ом в нутри (100 кОм/градус). М омент начала и з менения температуры втулки о пределя лс я по изменению омического сопротивления (в об ратном направлении) стабилитрона , которое фиксировал о с ь цифр о вым мультиметром DT 880 B . Методика эксперимента заключалась в регистрации интервал ов времени ( ∆ 1, ∆ 2 ) между момент а м и поочерёдного подключения рамок к источ ник ам стационарного и п е рем енного тока и начал а м и нагрева полупроводнико вого кристалла стабилитрона теплом от втулк и. При стационарных токах интервал времени ( ∆ 1 ) до начала нагрева зависит только от воздействия потока джоулева тепла, выделяемого токами в рамках. Если при переменных токах временной интервал ( ∆ 2 ) будет ме ньше , то это укажет на участие в нагреве индукционного явления. Р амки и втулк а разде лялись теплоинерционн ой защит ой , увеличивающей интервал времени до начала заме тного воздействия джоулева тепла . Мультиметр позволял регистрировать измен ение омического сопротивления стаб и литрона на 1 кОм в ( рабо чем интервале 300…700 кОм ), что было эквивалентно н агреву кристалла стабилитрона на 0,01 є С. С целью упрощения расчёта предполагалось, что нагрев кри сталла стабилитрона на 0,01 є С в регистрируем ых интервал ах времени (4 – 9 мин.) происходит при на грев е ал ю мини евой втулки на 0,015 є С. Требуемая д ля такого нагрева втулки энергия вычислялась следующим равенством W = 4,18 m c ∆ t . ( 10 ) Интервал времени ( ∆ 1 ) между моментами подключения рамок к источнику пер е менного тока и регистрацией начала нагрева кристалла (на 0,01 є С). позволял по сре д ством ( 1 1 ) вычислить суммарную мощность совместного нагрева втулки (на 0,015 є С ) п о левым воздействием и джоулевым теплом. N 1 = Вт . (1 1 ) И нтервале времени ( ∆ 2 ) между моментами подключения рамок к источнику стац и онарного тока и регистрацией начал а нагрева кристалла позволял посредством ( 1 1 ) в ы числить мощность нагрева втулки только джоулевым теплом N 2 = Вт . (1 2 ) Разница между ( 1 2 ) и ( 1 1 ) являлась мощностью только индукционного нагрева N 3 = N 2 - N 1 (1 3 ) Для т еоретич еск ой оценки индук тируемого электрического поля в на греваемом объёме втулки V c площ адью поперечного сечения F испол ь зовалась интег ральная форма записи , (1 4 ) полученная посредством преобразования дифф еренциального уравнения безвихревого вида электромагнитной индукции - div E Б . (1 5 ) В приближении однородности потенциального м агнитного поля из (1 4 ) получаем упр о щённую за пись Е Б ≈ щ | B Б | , ( 1 6 ) где ≡ h (1 7 ) является глубиной проникновения переменного электромагнитного поля в материал втулк и ( h = 1, 34 10 м). Подставляя в формулу мощности нагрева проводника N 4 = у E V (1 8 ) равенств а (1 6 ) , (1 7 ) , имеем N 4 = у щ м h F H ( 1 9 ) Параметры и результат ы двух вариантов опытов сведены в таблице 1 Таблица 1 Параметры и результаты опытов Схемы расположения рамок и алюминиевой втулки 5 5 f [ Гц ] 50 50 i [ A ] 0,55 0,30 L [ см. ] 6 6 H [ A / м ] 300 164 F [ м ] 2 ,8 10 2,2 10 ∆ 1 [ мин ] 4,3 4,1 ∆ 2 [ мин ] 9,4 6,5 N 3 [ Вт ] 6,3 10 N 4 [ Вт ] 2,7 10 2 N 3 [ Вт ] 3,4 10 2 N 4 [ Вт ] 1,2 10 W [ Дж ] 3 10 2 ,3 10 Циркуляционного магнитного поля в месте расположения вту лки не было, что по д тверждалось практичес ки с использованием измерительной катушки, в которой ЭДС не наводилась. В опытах имело место переменное электрическое поле избыточных зарядов, являвш е го ся причиной магни тоэлектрической индукции. Поскольку поле избыточных зарядов проникает в тонкий поверхностный слой проводника ( h = 10 м ), то малый объ ём и н дукционного нагрева заметным образ ом не влиял н а результаты опытов . 5. Магнито-термический эффект . Для подтверждения существова н ия стациона р ного потенциального магнитного поля и спользовался магнито-тер мический эффект (МТЭ), аналогичный известному охлаждению электропровод ника циркуляционным ма г нитным полем. Уме ньшение температуры электропроводника объясняется уменьшением энтро пии системы электронов в нём в связи с некоторым упорядочением их движен ия магнитным полем. В качестве источника стационарного потенциального магнитного п о ля вначале использовал и сь разнесённые центрально-симметричные постоянные токи в пар е многовитковых рамок . Затем совмещё нные противонаправленные токи в коакс и альн ом е. Охлаждаемым телом был полупроводн иковый кристалл стабилитрона ( 200 кОм/град.). В обоих случаях получены положительные результаты. Регистрируемое изменен ие омического сопротивления характеризовалось постепен ным его нарастанием на 2 – 4 кОм в течении неко торого интервала времени. Первое изменение через 0,2 – 1,0 мин. Последнее – через 3 -- 4 мин. Размещение стабилитрона внутри толстосте нной стальной втулки ( D = 3,4 см., d = 1,8 см., L = 6 см) не являлось препятствием для проявления МТ Э . 6. Заключение. Теоретический переход от стационарной локальной централ ьно-симметричной магнитостатики ( 9 ) к её переменному варианту позволил построить 4-мерную математическую модель локальной безвихревой электродинамики, содержа щей описание безвихревых видов индукционных явлений и продольной ЭМВ. Прям ые подтверждени я сущест вования безвихревого вида электромагнитной инду к ции и МТЭ явля ю тся косвенным подтверждением существования в приро де продольных ЭМВ и их светового диапазона . Литература 1. Желудев И.С. Физика кристаллов и симметрия. М., «Наука», 1987г. 2 . Кузнецов Ю. Н. Научный журнал русского физического общества, 1-6, 1995 г , 3 . Парселл Э. Электричест во и магнетизм. М., Высшая школа.,!980г., стр. 191,192. Адреса сайтов 4 Кузнецов Ю. Н . http://lovereferats.ru/physics/00007666.html , Основы безвихревой электродинамики. П отенциальное магнитное поле. 5. Кузнецов Ю. Н . http://lovereferats.ru/physics/00012952.html , Продольные электромагитные волны, как следствие симметрийно - физической двойственно сти .
© Рефератбанк, 2002 - 2017