Уравнения и характеристики распространения волн реального электромагнитного поля

Как видим, именно уравнения поля ЭМ векторного потенциала (6) описывают перенос в пространстве потока момента импульса, который со времен Пойнтинга пытаются описать с помощью уравнений ЭМ поля (1) (см. анализ в [6]). В этой связи укажем на пионерские работы [7], где обсуждается неэнергетическое (информационное) взаимодействие векторного потенциала со средой при передаче в ней потенциальных волн

и их детектирование с помощью эффекта, аналогичного эффекту Ааронова-Бома.

Здесь важно отметить, что система уравнений (5) иллюстрирует тот непреложный факт, что динамическое существование поля ЭМ векторного потенциала сопровождается неразрывно сопутствующим ему традиционным ЭМ полем. Причем, как установлено, перенос компонентами этих двух полей потока соответствующей физической величины существует, но не посредством обычного волнового процесса, который принципиально невозможен, но он реализуется опосредованно в виде так называемых псевдоволн.

Согласно проведенному здесь анализу, для проводящей среды в асимптотике металлов () распространение волн всех четырех электродинамических составляющих реального ЭМ поля подчиняется теоретически хорошо изученному закону для волн “обычного” ЭМ поля в металлах [2], где все волновые решения имеют вид экспоненциально затухающих в пространстве плоских волн со сдвигом фазы между компонентами на .

Однако вернемся к обсуждению 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, что представляет собой это выражение для энергии 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 электрической волной переносится чисто электрическая энергия: , не зависящая от времени и точек пространства.

Соответственно, для магнитного поля, распространяющегося в среде без потерь, уравнение энергетического баланса (11) запишется в виде:

.(14)

Рассмотрим, как выполняется этот закон для плоской монохроматической магнитной волны, полевые компоненты которой, согласно волновым решениям уравнений (8), имеют 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 показано, что в Природе объективно существует весьма 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, 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 . При этом описывающие эти поля электродинамические уравнения (5) являются основными уравнениями современной полевой теории электромагнетизма, которые с их следствиями: системами уравнений (1) и (6) - (8) представляют собой фундамент классической электродинамики.

Установлено, что способностью к непосредственному распространению в пространстве в виде волн, отвечающих обычным физическим представлениям о волновом процессе, обладают только волны электрического и магнитного полей за счет наличия у них сдвига фазы колебаний на между их компонентами и , соответственно, и . Реализация же собственно волн ЭМ поля и ЭМ векторного потенциала невозможна в принципе, хотя сами эти поля и их потоки безусловно существуют, но распространяются они опосредованно в виде псевдоволн, поскольку их синфазные компоненты и , соответственно, и являются составной частью компонент электрической и магнитной волн. Именно тем самым все составляющие реального ЭМ поляперемещаются в пространстве совместно посредством единого волнового процесса.

Однако современными методами регистрации электродинамических полей наблюдают только псевдоволны “обычного” ЭМ поля, компоненты и которых синфазно распространяются в пространстве. И хотя конкретное изучение волн остальных обсуждаемых здесь составляющих реального электромагнитного поля только начинается (например, в [8] представлены результаты экспериментального исследования условий возбуждения и распространения в металлах поперечных чисто магнитных волн), объективность их существования и неоспоримая практическая значимость подтверждается, например, принципиальной невозможностью без их посредства реализации такой столь важной физической характеристики ЭМ поля, как способности переноса его энергии.

 Скачать реферат