LONGITUDINAL ELECTROMAGNETIC WAVES

Full Text

Введение Целью настоящей обзорной статьи является анализ современного состояния относительно нового научного направления, связанного с теоретическим описанием и практическим использованием продольных электромагнитных волн. Под этим термином понимается электромагнитное излучение, волновой вектор которого по направлению совпадает с вектором напряженности электрического поля Е. Сразу же заметим, что в классической электродинамике, в основе которой лежат уравнения Максвелла, электрическое поле имеет две компоненты: соленоидальную Es и потенциальную: E p = -Ñf , связанную со скалярным электрическим потенциалом f . В общем случае имеется суперпозиция этих компонент: E = Es + E p . (1) Такое представление соответствует теореме Гельмгольца, составляющей основу теории поля: любое векторное поле должно иметь две компоненты - соленоидальную и потенциальную. Однако магнитное поле считается сугубо вихревым, поскольку нет магнитных монополей. Потенциальная компонента магнитного поля отсутствует, и это не соответствует теореме Гельмгольца. Таким образом, теория Максвелла содержит противоречие, разрешение которого представляется актуальнейшей задачей электродинамической теории. Как будет показано ниже, в результате ее решения открываются новые технические и технологические возможности, позволяющие реализовать на практике многие актуальные проекты. 1. Основы обобщенной электродинамики Логически непротиворечивая идея должна учитывать два, казалось бы, взаимоисключающих положения: отсутствие в природе магнитных монополей и наличие физически содержательной потенциальной компоненты магнитного поля. Такая идея лежит в основе обобщенной электродинамики, которая начала формироваться во второй половине ХХ века. Она отталкивается от попыток Ампера сформулировать закон электромагнитного взаимодействия, учитывающий две составляющие магнитной силы: поперечную и продольную по отношению к току [1-2]. Современная электродинамика оперирует только магнитной силой, названной в честь Ампера. Она действует ортогонально току и определяется по формуле, предложенной О. Хэвисайдом во второй половине XIX века: f А = j´ B . (2) Как известно, ее можно использовать только при описании взаимодействия параллельных токов. Однако, в трактате Ампера [1] описаны два эксперимента, в которых взаимодействуют токи, расположенные на взаимно ортогональных линиях. При этом один из проводников движется вдоль тока, текущего в нем, то есть он испытывает действие продольной магнитной силы. Множество подобных экспериментов, реализованных современными авторами, описано в монографиях [3-4]. В [4] сформулирован обобщенный закон электромагнитного взаимодействия. В частном случае при взаимодействии двух ортогонально расположенных токов на один из них действует сила Ампера (2), а на другой продольная сила плотности: f * = jB* , (3) где B* = B* (r,t ) - скалярная функция индукции потенциального (скалярного) магнитного поля (ПМП или СМП). Она является знакопеременной, соответственно, сила f * действует по току, если проводник находится в положительном СМП, и против тока - в отрицательном СМП. Условия возникновения и свойства СМП, а также эксперименты с ним описаны в монографиях [3-4]. Система дифференциальных уравнений обобщенной электродинамики, учитывающая СМП, в условно неподвижной системе отсчета выглядит следующим образом: 150 Томилин А.К., Панчелюга В.А. Продольные электромагнитные волны Ñ´ H + ÑH * = j + ¶D , (4) ¶t Ñ´ E = - ¶B , (5) ¶t Ñ× D = r + e¢e0 ¶B* ¶t , (6) Ñ× B = 0 . (7) Ее следует дополнить соотношениями B = m¢m H , B* = m¢m H * , D = e¢e E + e¢e Е . 0 0 0 s 0 p Как следует из уравнения (4), ток проводимости j создает как векторное (вихревое), так и скалярное (потенциальное) магнитные поля. В общем случае обе эти составляющие единого магнитного поля являются нестационарными и неоднородными. Уравнение (5) выражает закон вихревой электромагнитной индукции, а из уравнения (6) следует, что изменение индукции СМП приводит к возник- ¶B* новению «зарядов смещения» e¢e0 ¶t , которые наравне с электрическими зарядами плотности r являются источниками и стоками потенциального электрического поля. Заметим, что при этом нет необходимости использовать представление о магнитных монополях. Это явление можно назвать безвихревой электромагнитной индукцией. Оно подтверждено экспериментами, описанными в монографии [4]. Таким образом, обобщенная электродинамика является потенциальновихревой теорией, учитывающей в полной мере все компоненты электрического и магнитного полей. К этому выводу независимо друг от друга различными путями пришли многие исследователи [3-10]. 2. Волновые уравнения Понятно, что потенциальная компонента магнитного поля участвует в волновом электромагнитном процессе. Применив оператор ¶ ¶t к уравнению (4), после преобразований с учетом (5) и (6) получим два независимых уравнения для потенциальной и вихревой компонент электрического поля соответственно: DE - m¢m e¢e ¶2E p = m¢m ¶jp + 1 Ñr , (8) p 0 0 ¶t 2 0 ¶t ¶2E e¢å0 ¶j DEs - m¢m0e¢e0 s ¶t 2 = m¢m0 s . (9) ¶t 151 Метафизика, 2025, № 1 (55) Вычислив производную по времени от уравнения (5), с учетом (4), получим волновое уравнение для вектора H : ¶2H DH - e¢e m¢m = -Ñ ´ j . (10) 0 0 ¶t 2 С использованием уравнений (9) и (10) описывается известный механизм излучения и распространения поперечных электромагнитных волн. Аналогичным образом, преобразовав (6) с учетом (4), получается волновое уравнение для скалярной функции H * : DH * - e¢e m¢m ¶2 H * = ¶r +Ñ × j . (11) 0 0 ¶t 2 ¶t Дифференциальные уравнения (8) и (11) описывают механизм излучения и распространения продольных электромагнитных волн. Обобщенная электродинамика (макроскопическая теория) указывает на два типа электромагнитных волн: поперечные и продольные. Первый тип волн давно известен, хорошо исследован и используется на практике. Второй тип волн открыт сравнительно недавно. Обзоры публикаций по этой проблеме приведены в монографиях [4; 11-14]. В качестве примера рассмотрим полуволновой вибратор Герца с током jp (t ) (рис. 1). Поскольку проводник с током имеет конечную длину, кроме векторного магнитного поля, создается СМП. Пусть ток возрастает, следовательно, индукция СМП увеличивается. При этом индуцированное электрическое поле E p стремится компенсировать исходный ток в проводнике (аналог правила Ленца). Рассмотрим поле вблизи точек А и В, совпадающих с концами токового отрезка. В точке А образуется сток индуцированного электри- ¶В* ческого поля E p , то есть ¶t < 0 , и создается отрицательное возрастающее по модулю СМП. Вблизи точки В создается положительное СМП, которое ö * тоже возрастает æ ¶В > 0 , следовательно, здесь имеется источник индуци- ç ¶t ÷ è ø рованного электрического поля E p . Когда исходный ток jp (t ) начинает убывать, полярность зон СМП изменяется. Рис. 1. Излучение электромагнитной волны полуволновым вибратором Герца Источник: составлено авторами. 152 Томилин А.К., Панчелюга В.А. Продольные электромагнитные волны Таким образом, вибратор Герца, кроме поперечной волны, излучает еще и продольную, которая распространяется вдоль линии его расположения. Важно заметить, что переменный электрический ток в самом вибраторе тоже можно рассматривать как продольную электромагнитную волну. Такое представление в традиционной теории не используется, поскольку в ней отсутствует СМП. А для описания волнового процесса требуются две потенциальные компоненты: электрическая и магнитная. Поэтому считается, что электромагнитный процесс в электропроводной среде распространяться не может. Этот ошибочный вывод исключил возможность создания средств подводной радиосвязи. В случае падения поперечной электромагнитной волны из диэлектрика на поверхность проводника считается, что происходит затухание электромагнитного процесса. Вопрос о преобразовании энергии при этом не имеет однозначного решения. В обобщенной теории имеется физически содержательное толкование: поперечная электромагнитная волна трансформируется в продольную. Именно на этом принципе работают все принимающие антенны: энергия падающей поперечной волны преобразуется в переменный ток в проводнике, то есть в продольную волну. Полное теоретическое описание процессов излучения и распространения комплексной (потенциально-вихревой) электромагнитной волны содержится в монографии [4]. Там же приведено подробное математическое описание распространения продольной электромагнитной волны в электропроводной среде. 3. Эксперименты с продольными электромагнитными волнами Теоретические выводы, приведенные выше, успешно подтвердились в лабораторных и натурных испытаниях. В монографии Г.В. Николаева [15] описаны эксперименты с двухконтурными (биполярными) антеннами, одна из которых служит излучателем, другая - приемником продольных электромагнитных волн. Такие антенны образуют электрическую систему тороидального типа, в которой вихревое и потенциальное магнитные поля позиционно разделены: вихревое магнитное поле присутствует внутри тороидальной обмотки, а СМП создается на торцах тороида. Первые эксперименты с тороидальными антеннами в речной воде произведены М.А. Суриным в 2020-2022-е годы. Зафиксирован факт передачи коротковолнового сигнала между подводными антеннами на расстояние в несколько сотен метров. В статье [16] описан эксперимент с тороидальным соленоидом, по которому попускается ток частотой 50 Гц. Обмотка тороида заключена в сплошной заземленный экран. В результате на оси внутреннего отверстия тороида (за пределами экранированной области) обнаружено и измерено электрометрическим методом потенциальное электрическое поле. Показано, что этот эффект не связан с электромагнитными полями рассеяния. Сделан вывод о возможности проникновения продольной электромагнитной волны сквозь 153 Метафизика, 2025, № 1 (55) заземленный экран. Это ее свойство следует учитывать при решении задач электромагнитной совместимости. В статьях [17-18] приведены результаты лабораторных экспериментов со сферическими антеннами. Показано, что электропроводная сфера, на которой ¶B* имеется нестационарный заряд r= r(t ) (или квазизаряд плотности e¢e0 ), ¶t излучает сферически симметричную продольную электромагнитную волну. В частности, описан эксперимент по передаче радиосигнала на частоте 27 МГц из клетки Фарадея [18]. В 2021-2023-х годах в акватории Японского моря произведена серия экспериментов по передаче высокочастотного модулированного радиосигнала с помощью сферических антенн, сконструированных в Дальневосточном федеральном университете. Условия экспериментов, анализ их результатов и соответствующая теория изложены в статьях [19-21]. В 2024 году изготовлен новый комплекс приемопередающей аппаратуры, который успешно испытан на пресноводном Можайском водохранилище [22]. Результаты, полученные в выполненных исследованиях, позволяют создать принципиально новые системы высокоскоростной радиосвязи между мобильными подводными объектами. Имеется принципиальная возможность организовать канал двухсторонней радиосвязи наземной или спутниковой станции с мобильным подводным объектом. Теоретические и экспериментальные работы в данном направлении ведутся в США [23-24], Европе [7; 14; 17; 25]. Есть сведения об успешных экспериментах, произведенных в Китае. Заключение Эксперименты, кратко представленные выше, позволяют говорить об открытии СМП и продольных электромагнитных волн, что существенно расширяет научные представления об электромагнитном поле и электромагнитных волнах. В настоящее время это научное направление содержит обоснованную теоретическую базу, подтвержденную результатами лабораторных и натурных экспериментов. В частности, найдено принципиальное решение по организации каналов высокочастотной подводной радиосвязи между автономными мобильными объектами. Представлены результаты испытаний в натурных условиях приемопередающих радиокомплексов двух типов: тороидальных и сферических.

About the authors

Aleksandr K. Tomilin

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: aktomilin@tpu.ru
30 Lenin Ave, Tomsk, 634050, Russian Federation

Victor A. Panchelyuga

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Science

Email: VictorPanchelyuga@gmail.com
3b Institutskaja St, Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

References

Supplementary files