Статья: Анализ и решение проблемы переноса энергии волнами электромагнитного поля

Для проводящей среды в асимптотике металлов (), как показал анализ [7], распространение волн всех четырех электродинамических составляющих реального электромагнитного поля подчиняется теоретически хорошо изученному закону для плоских волн ЭМ поля в металлах [1], где все волновые решения имеют вид экспоненциально затухающих в пространстве плоских волн со сдвигом фазы между компонентами на .

Однако вернемся к анализу энергетики распространения составляющих реального электромагнитного поля в виде плоских волн в диэлектрической среде без потерь (). Вначале обратимся к закону сохранения электрической энергии, соотношение которого согласно (10) запишется как:

. (12)

Выясним, выполняется ли это выражение для плоской монохроматической электрической волны, полевые компоненты которой, согласно волновым решениям уравнений системы (7), обладая сдвигом фазы на , имеют следующий вид: и . Тогда, подставляя их в соотношение (12), приходим к соотношению:

.

Такой результат вполне удовлетворяет закону сохранения энергии, поскольку усреднение по времени этого соотношения дает

, (13)

а потому электрическая волна действительно переносит в пространстве чисто электрическую энергию: , не зависящую от времени и точек пространства.

Соответственно, для магнитного поля, распространяющегося в однородной среде без потерь, закон сохранения магнитной энергии согласно (11) запишется в виде соотношения:

. (14)

Рассмотрим, как выполняется этот закон для плоской монохроматической магнитной волны, полевые компоненты которой, согласно волновым решениям уравнений (8), имеют следующий вид: и . Подставляя их в соотношение (14) и проводя аналогичные рассуждения как при выводе формулы (13), получаем в итоге:

. (15)

Итак, в случае магнитного поля снова приходим к физически здравому результату, когда в пространстве без потерь посредством магнитной волны переносится чисто магнитная энергия , не зависящая от времени и точек пространства. Следовательно, распространение магнитной волны также удовлетворяет закону сохранения энергии.

Таким образом, аргументированно установлено, что в Природе объективно существует сравнительно сложное и необычное с точки зрения традиционных представлений вихревое четырехвекторное поле в виде совокупности функционально связанных между собой четырех вихрево-полевых компонент , и , . Это поле, условно названное реальным электромагнитным полем, реализуется четверкой составляющих его электродинамических полей, состоящих из пар вышеуказанных компонент: электрическое поле с и , магнитное поле с и , электромагнитное поле с и , наконец, поле векторного потенциала с и . Причем способностью к непосредственному распространению в пространстве в виде волн, отвечающих обычным физическим представлениям о волновом процессе, обладают только электрическое и магнитное поля за счет наличия у этих волн сдвига фазы на между их компонентами и , соответственно, и . Реализация же собственно волн ЭМ поля и ЭМ векторного потенциала невозможна в принципе, хотя сами эти поля, как показано выше, существуют и распространяются опосредованно в виде псевдоволн, поскольку их синфазные компоненты являются составной частью компонент электрической и магнитной волн, распространяющихся обычным образом. Именно тем самым все составляющие реального электромагнитного поля объективно перемещаются в пространстве совместно в виде единого волнового процесса.

К сожалению, в настоящее время существующими методами регистрации электродинамических полей реально можно наблюдать лишь псевдоволны “обычного” ЭМ поля, компоненты и которых синфазно распространяются в пространстве. И хотя конкретное наблюдение волн остальных обсуждаемых здесь составляющих реального электромагнитного поля только начинается (например, в [7] экспериментально исследованы условия возбуждения и распространения в металлах поперечных чисто магнитных волн), объективность их существования и неоспоримая практическая значимость подтверждается принципиальной невозможностью без их посредства реализации ряда физических характеристик и свойств ЭМ поля, в частности, его способности переноса ЭМ энергии.

Как видим, застарелый парадокс существования волн ЭМ поля и их способности переноса энергии этого поля, наконец, успешно и весьма нетривиально разрешен, а результаты проведенных исследований представляют собой серьезное концептуальное развитие основных физических представлений о структуре и свойствах ЭМ поля в классической электродинамике. Кстати, как представляется, методически серьезных проблем не должно возникнуть, если обсуждаемое здесь поле сохранит за собой и традиционное в электромагнетизме нынешнее название – электромагнитное поле с учетом проведенной модернизации физических воззрений и его нового содержания.

Список литературы

1. Матвеев А.Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1980.

2. Пирогов А.А. // Электросвязь. 1993. №5. С. 13-14.

3. Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37; // Материалы IX Международной конференции «Физика в системе современного образования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2007. Секция “Профессиональное физическое образование”. С. 127-129; // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. № 11. С. 75-82.

4. Докторович З.И. // Заявленное открытие "Магнитные поперечные волны" приоритетная справка 32-ОТ №10247, дата поступления 5 мая 1980 г.; // http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4797.html

5. Соколов И.В. // УФН. 1991. Т. 161. № 10. С. 175-190.

6. Чирков А.Г., Агеев А.Н. // ФТТ. 2002. Т. 44. Вып. 1. С. 3-5; 2007. Т. 49. Вып. 7. С. 1217-1221.

7. Сидоренков В.В. // http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8935. html.