![]() |
||
Главная Рефераты по рекламе Рефераты по физике Рефераты по философии Рефераты по финансам Рефераты по химии Рефераты по хозяйственному праву Рефераты по цифровым устройствам Рефераты по экологическому праву Рефераты по экономико-математическому моделированию Рефераты по экономической географии Рефераты по экономической теории Рефераты по этике Рефераты по юриспруденции Рефераты по языковедению Рефераты по юридическим наукам Рефераты по истории Рефераты по компьютерным наукам Рефераты по медицинским наукам Рефераты по финансовым наукам Рефераты по управленческим наукам Психология и педагогика Промышленность производство Биология и химия Языкознание филология Издательское дело и полиграфия Рефераты по краеведению и этнографии Рефераты по религии и мифологии Рефераты по медицине Рефераты по сексологии Рефераты по информатике программированию Краткое содержание произведений |
Статья: Физические основы теории нетеплового действия электродинамических полей в матери-альных средахСтатья: Физические основы теории нетеплового действия электродинамических полей в матери-альных средахВ.В. Сидоренков, МГТУ им. Н.Э. Баумана Введение.Приоритет прямого доказательства нетеплового действия электромагнитных (ЭМ) полей на физико-механические свойства материалов принадлежит Вертгейму [1], где по удлинению проволочных образцов различных металлов при постоянной внешней механической нагрузке в условиях пропускания электрического тока либо только при термическом воздействии для одной и той же температуры образца определялись соответственно модули упругости G1 и G2 исследуемого материала. Наличие разности ΔG = |G1 – G2| служило доказательством дополнительного нетеплового действия электрического тока на величину модуля упругости металла. Однако в то время этот эффект не был актуален, а потому не востребован, и лишь спустя 125 лет указанное явление было переоткрыто Троицким [2]. Теперь феномен нетеплового действия ЭМ полей на свойства материальных сред не только всесторонне изучается, но и нашел успешное применение в технологиях обработки металлов и других материалов [3, 4]. Тем не менее, надо признать, что при значительных успехах в приложениях научное развитие этого направления исследований всегда сдерживалось концептуально, поскольку строгой электродинамической теории, последовательно описывающей нетепловое действие ЭМ полей на материальные среды, попросту не существовало. Объективность такого заявления иллюстрирует, в частности, многолетняя дискуссия в научной печати о природе электропластического эффекта (ЭПЭ) в металлах (например, в [3, 4]). Парадокс в том, что одни аргументированно на основе анализа уравнений ЭМ поля показывают, что ЭПЭ электродинамически обусловлен проявлением квадратичных по току закона Джоуля-Ленца и пинч-эффекта, а другие достоверно в многочисленных экспериментах убеждаются в нетепловой (линейной по току) природе ЭПЭ. Основы электродинамики нетепловых процессов в материальных средах.Попытаемся разобраться в этой далеко непростой ситуации, для чего рассмотрим систему электродинамических уравнений Максвелла - уравнения ЭМ поля: (a)
описывающих отклик среды на воздействие ЭМ поля; Фундаментальным следствием данных уравнений является
тот факт, что описываемое ими поле распространяется в пространстве в виде ЭМ волн,
переносящих поток ЭМ энергии
Видно, что в данной точке среды диссипативные процессы
электропроводности и изменения электрической и магнитной энергий порождаются
потоком извне вектора Пойнтинга ЭМ энергии Однако, согласно уравнениям системы (1), в принципе невозможны электродинамические потоки, переносящие только электрическую либо магнитную энергии, хотя процессы соответствующей поляризации сред существуют раздельно и энергетически независимы. Поэтому продолжим обсуждение уравнений (1) с целью их модификации для поля ЭМ векторного потенциала, поскольку новые уравнения позволят последовательно описать процессы нетеплового действия электродинамических полей в материальных средах: электрическую и магнитную поляризацию среды, передачу ей момента ЭМ импульса. Сами исходные соотношения первичной взаимосвязи компонент
ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала с электрической (a) Здесь соотношение (3a) вводится с помощью уравнения
(1d), так как дивергенция ротора произвольного векторного поля тождественно
равна нулю. Аналогично (3b) следует из уравнения (1b) при Главное фундаментальное следствие соотношений (3)
состоит в том, что подстановки (3c) в (3b) и (3d) в (3a) приводят к системе
электродинамических уравнений поля ЭМ векторного потенциала с электрической (a) rot (c) rot Чисто вихревой характер компонент поля векторного потенциала обеспечивается условием калибровки посредством дивергентных уравнений (4b) и (4d), которые также представляют собой для уравнений (4a) и (4c) начальные условия в математической задаче Коши, что делает систему (4) замкнутой. Подстановки соотношения (3с) в продифференцированное
по времени ( Применение операции ротора к (3c) и подстановка в него
(3a) с учетом (3d) преобразует систему (3) в другую систему теперь уже уравнений
электрического поля с компонентами напряженности (a) rot (c) rot Соответственно взятие ротора от соотношения (3d) и
подстановка в него (3b) с учетом (3c) снова преобразует систему соотношений (3)
в еще одну систему уравнений классической электродинамики систему уравнений
магнитного поля с компонентами напряженности (a) rot (c) rot Как видим, соотношения (3) функциональной первичной взаимосвязи ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала действительно фундаментальны. Согласно структуре уравнений в представленных
системах, существуют волновые уравнения не только для компонент ЭМ поля Подобно вектору Пойнтинга
- соотношение, описывающее энергетику реализации процесса электрической поляризации среды в данной точке. Как видим, уравнения электрического поля системы (5) описывают чисто электрические явления, в том числе, поперечные электрические волны, переносящие поток электрической энергии. Аналогичным образом можно ввести еще один потоковый
вектор
Итак, уравнения магнитного поля системы (6) рассматривают чисто магнитные явления, устанавливают реальность поперечных магнитных волн, переносящих поток магнитной энергии. Полученные соотношения баланса (7) и (8) описывают энергетику
условий реализации обычной электрической или магнитной поляризации среды
(первое слагаемое правой части соотношений) посредством переноса извне в данную
точку потоком вектора Подобно соотношениям (7) и (8) из уравнений в системе
(4) следует соотношение баланса передачи в данную точку момента импульса,
реализуемого полем ЭМ векторного потенциала посредством потокового вектора
Здесь момент ЭМ импульса в проводящей среде создается электрической компонентой вектор-потенциала, стационарной в том числе, а в среде диэлектрика – переменными во времени электрической и магнитной компонентами. Как видим, именно уравнения поля ЭМ векторного
потенциала (4) описывают волны, переносящие в пространстве поток момента ЭМ
импульса, которые со времен Пойнтинга безуспешно пытаются описать с помощью
уравнений ЭМ поля (1) (см., например, результаты анализа в статье [9]). Существенно,
что волны векторного потенциала не переносят энергии, поскольку в уравнениях
(4) поля О физическом смысле поля электромагнитного векторного потенциала.Полевая концепция природы электричества является фундаментальной основой классической электродинамики и базируется на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется с помощью ЭМ поля. Свойства этого поля описываются системой электродинамических уравнений Максвелла (1) откуда непосредственно вводятся понятия полей электрической и магнитной компонент векторного потенциала, физическая интерпретация которых по сей день отсутствует. При решении этой проблемы воспользуемся полученными
выше фундаментальными исходными соотношениями (3) функциональной первичной взаимосвязи
ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала, на основе которых физически логично
предположить, что наряду с ЭМ полем векторный ЭМ потенциал есть первичная полевая
характеристика самого заряда, его полевой эквивалент. Для обоснования
правомерности такого предположения рассмотрим конкретные аргументы,
позволяющие, наконец, разрешить проблему физического смысла ЭМ векторного
потенциала, которую для магнитного вектор-потенциала Как известно, физические представления об
электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная
частица характеризуется, в частности, не только значением заряда q, кратного
заряду электрона |e-|, но и спином s, трактуемым как собственный момент
количества движения частицы. Величина этого момента квантована значением h/2,
где h - постоянная Планка. Согласно предположению, сопоставим эти локальные
характеристики микрочастицы и ее некое дополнительное собственное поле. Конкретно,
например, для электрона, электрическая компонента этого поля соответствует
заряду e, а магнитная - удельному (на единицу заряда) кинетическому моменту Сначала рассмотрим поле электрического векторного
потенциала
Эти соотношения устанавливают физически содержательное
положение о том, что величина циркуляции поля вектора Таким образом, согласно соотношению (10), электрический
заряд Здесь и далее обсуждаются именно размерности физических величин, а использование в рассуждениях конкретной системы единиц их измерения не принципиально. Корпускулярно-полевые представления подтверждаются и
соотношением (3d) функциональной связи магнитной напряженности Перейдем теперь к полю магнитного векторного потенциала
Интегральные величины в (11) определяют магнитный поток
Однако обратим внимание на то, что циркуляционные
векторы Как видим, магнитному потоку Соответственно, из соотношения (3c) размерность вихревого
поля электрической напряженности Итак, анализ исходных соотношений (3) позволил прояснить
физический смысл ЭМ векторного потенциала как полевого эквивалента локальных
основных параметров микрочастицы: заряда q и спина s. Таким образом, электрический
заряд Электродинамические аспекты теории нетеплового действия электрического тока в металлах. В настоящее время установлено [13], что, как это ни парадоксально, металлы - это уникальная среда для изучения электродинамики нетепловых процессов. Лидером таких исследований является Троицкий [2-4], результаты работ которого, в частности, по ЭПЭ, как и его последователей у нас и за рубежом, нашли практическое применение в разнообразных технологиях обработки металлических материалов. Ниже на основе анализа следствий из представленных выше систем полевых уравнений обсуждаются электродинамические аспекты нетеплового действия постоянного электрического тока в металлах. Начнем с традиционных уравнений ЭМ поля (1) для
однородной проводящей среды в асимптотике металлов ( (a) rot Видно, что электрическая компонента ЭМ поля в проводнике при электропроводности потенциальна (12a), в объеме проводник локально электронейтрален (12b), а наличие тока порождает вихревую магнитную компоненту поля (12c). Однако энергетически уравнения Максвелла способны описать лишь диссипативную составляющую физически сложного процесса электрической проводимости среды с помощью закона сохранения ЭМ энергии: - div Важно отметить, что перенос в пространстве потока ЭМ
энергии принципиально реализуется посредством обеих компонент ЭМ поля в виде
потокового вектора Пойнтинга Несмотря на наличие в проводнике с током электрической
Здесь имеется полная математическая аналогия с полем магнитного
векторного потенциала В применении к проводнику с током соотношение
где циркуляция поля вектора электрического потенциала На основе (14) можно получить конкретные формулы связи
поля вектора
Таким образом, поле электрического вектор-потенциала Однако представления о вектор-потенциале
Согласно [14], порядок величины постоянной времени
релаксации электрического заряда в металлах Для иллюстрации реальности и физической значимости поля
электрического вектор-потенциала
Здесь (a) rot Видно, что поток чисто электрической энергии в
пространстве действительно существует, и он осуществляется, как и должно быть, двумя
компонентами электрического поля посредством потокового вектора -div Для процессов магнитостатики постоянного тока из уравнений системы (6) с учетом (3с) получаем систему уравнений магнитного поля с соответствующими компонентами напряженности и векторного потенциала: (a) rot Здесь перенос чисто магнитной энергии в пространстве осуществляется
двумя компонентами магнитного поля в виде потокового вектора - div Соответственно, уравнения системы (4) модифицируются в систему уравнений статического поля ЭМ векторного потенциала с электрической и магнитной компонентами: (a) rot (21) Отсюда следует соотношение баланса, описывающее
передачу проводнику момента ЭМ импульса посредством потокового вектора - div Кстати, из уравнений системы (19) получим конкретные формулы для компонент магнитного поля цилиндрического проводника с постоянным электрическим током при r ≤ R
а, следовательно, явный вид аналитических выражений поля потоковых векторов внутри и на поверхности проводника
Таким образом, процесс электрической проводимости имеет полевое континуальное воплощение, что является принципиальным дополнением и расширением узких рамок формализма локальных механистических представлений о данном явлении. Как следствие это позволило “увидеть” потоки электрической и магнитной энергии, момента ЭМ импульса, которые наряду с энергетическим потоком компенсации джоулевых потерь реализуют процесс стационарной электропроводности в нормальном (несверхпроводящем) металле. ЗаключениеКак видим, в отношении полноты охвата явлений электромагнетизма системы электродинамических уравнений (4 - 6) вместе с системой уравнений Максвелла (1) (для статических процессов – это системы (17), (19), (21) и (12)) составляют необходимое и равноправное единство, в котором каждая из систем вполне автономна и описывает строго определенные явления. Отличительная особенность уравнений предлагаемых систем в сравнении с традиционной системой уравнений ЭМ поля состоит в том, что именно они, используя представления о поле ЭМ векторного потенциала, способны последовательно описать реальные электродинамические процессы нетепловой природы: электрическую и магнитную поляризацию среды, передачу ей момента ЭМ импульса. В общем виде и на конкретном примере аргументированно доказано,
что в классической электродинамике, наряду с ЭМ полем с векторными компонентами
Рассмотренные физические аспекты теории поля ЭМ векторного потенциала, в том числе, установление его физического смысла, безусловно являются серьезным прогрессом в развитии основ электромагнетизма, а представленные результаты служат введением в новые неисследованные области учения об электричестве в рамках электродинамики сплошной среды и ее приложений. При этом концептуально открываются широкие возможности всесторонних исследований нетеплового действия электродинамических полей в материальных средах, в частности, продолжения на новом уровне изучения влияния этих полей на физико-механические свойства сред, которое уже нашло успешное прикладное применение [3, 4] в технологиях обработки разного рода материалов. Список литературы1. Wertheim G. // Ann. Phys. und Chem. 1848. Bd. 11/11. S. 1-114. 2. Троицкий О.А. // Письма в ЖЭТФ. 1969. Т. 10. С. 18-22. 3. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 4. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов. В 2-х томах. ”Институт компьютерных исследований”, 2004. 5. Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37. 6. Сидоренков В.В. // Труды XIX Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». М.: МГУ, 2004. С. 740-742. // Материалы II Международного семинара «Физико-математическое моделирование систем». Ч. 2. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 35-40. // Труды XX Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». М.: МГУ, 2006. С. 123-125. // Материалы VII Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 93-104. // Материалы IX Международной конференции «Физика в системе современного образования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2007. Т. 1. Секция “Профессиональное физическое образование”. С. 127-129. 7. Дюдкин Д.А., Комаров А.А. Электродинамическая индукция. Новая концепция геомагнетизма / Препринт НАНУ, ДонФТИ-01-01, 2001. 8. Сидоренков В.В., Толмачев В.В., Федотова С.В. // Известия РАН. Сер. Физическая. 2001. Т. 65. № 12. C. 1776-1782. 9. Соколов И.В. // УФН. 1991. Т. 161. № 10. С. 175-190. 10. Чирков А.Г., Агеев А.Н. // ФТТ. 2002. Т. 44. Вып. 1. С. 3-5; 2007. Т. 49. Вып. 7. С. 1217-1221. 11. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах. М.: Наука, 1989. 12. Антонов Л.И., Миронова Г.А, Лукашёва Е.В., Чистякова Н.И. Векторный магнитный потенциал в курсе общей физики / Препринт № 11. М.: МГУ, 1998. 13. Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2005. № 2. С. 35-46. 14. Зоммерфельд А. Электродинамика. М.: ИЛ, 1958. 15. Сидоренков В.В. // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 6. C. 746-749. 16. Корнев Ю.В., Сидоренков В.В., Тимченко С.Л. // Доклады РАН. 2001. Т. 380, № 4. С. 472-475. |
|
|