О реальной структуре электромагнитного поля и его характеристиках распространения в виде плоских волн. (стр. 1 из 3)

О РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВИДЕ ПЛОСКИХ ВОЛН

В.В. Сидоренков

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Установлена реальная структура электромагнитного поля, представляющего собой векторное четырехкомпонентное электродинамическое поле, состоящего из функционально связанных между собой составляющих полей: электрической и магнитной напряженности, электрического и магнитного векторного потенциала. Рассматривается физически очевидный и принципиальный вопрос о параметрах и характеристиках распространения волн конкретных составляющих реального электромагнитного поля.

В настоящее время установлено, что в отношении полноты охвата при описании наблюдаемых в Природе явлений электромагнетизма, наряду с обычной системой уравнений электродинамики Максвелла электромагнитного (ЭМ) поля с компонентами электрической

и магнитной напряженности [1]:

(a)

, (b) , (1)

(c)

, (d) ,

существуют и другие системы полевых уравнений [2 - 4], концептуально необходимые при анализе и адекватном реальности физико-математическом моделировании электродинамических процессов в материальных средах. Уравнения в этих других системах рассматривают такие области пространства, где присутствуют либо только поле ЭМ векторного потенциала с электрической

и магнитной компонентами:

(a)

, (b) , (2)

(c)

, (d) ;

либо электрическое поле с компонентами

и :

(a)

, (b) , (3)

(c)

, (d) ;

либо, наконец, магнитное поле с компонентами

и :

(a)

, (b) , (4)

(c)

, (d) .

Здесь

и

- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, соответственно, - удельная электрическая проводимость, - постоянная времени релаксации заряда в среде за счет электропроводности.

Основная и отличительная особенность уравнений систем (2) – (4) в сравнении с традиционными уравнениями Максвелла ЭМ поля (1) с физической точки зрения состоит в том, что именно они, используя представления о поле ЭМ векторного потенциала, способны последовательно описать многообразие электродинамических явлений нетепловой природы в материальных средах, определяемых электрической или магнитной поляризацией и передачей среде момента ЭМ импульса, в частности, реализуемых в процессе электрической проводимости [4, 5] .

Принципиально и весьма существенно здесь то, что все эти системы электродинамических уравнений, в частности, и система (1) для локально электронейтральных сред (

) непосредственно следуют из фундаментальных исходных соотношений первичной взаимосвязи ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала [2 - 4]:

(a)

, (b) , (5)

(c)

, (d) .

Очевидно, что представленная система соотношений может служить основой для интерпретации физического смысла поля ЭМ векторного потенциала [3], выяснения его роли и места в явлениях электромагнетизма. Однако самое главное и уникальное в них то, что все вместе эти соотношения являют собой систему базовых дифференциальных уравнений, описывающих необычное с точки зрения общепринятых позиций вихревое векторное поле, состоящее их четырех функционально связанных между собой вихревых векторных компонент

, ,

и

, которое условно назовем реальное электромагнитное поле.

Объективность существования указанного поля однозначно иллюстрируется указанными системами уравнений (1) – (4) и получаемыми из них соотношениями баланса:

для потока ЭМ энергии из уравнений системы (1)

, (6)

для потока момента ЭМ импульса из уравнений системы (2)

div

, (7)

для потока электрической энергии из уравнений системы (3)

div

, (8)

и, наконец, для потока магнитной энергии из уравнений системы (4)

div

. . (9)

Как видим, соотношения (5) действительно следует считать фундаментальными уравнениями связи компонент реального электромагнитного поля, базирующегося на исходной своей составляющей - поле векторного потенциала, состоящего из двух взаимно ортогональных электрической

и магнитной

векторных полевых компонент. При этом поле векторного потенциала своим существованием реализует функционально связанные с ним другие составляющие единого поля: электромагнитное поле с векторными компонентами и , электрическое поле с компонентами и , магнитное поле с компонентами и

.

Интересно, что обсуждаемая здесь структура и взаимосвязь составляющих реального электромагнитного поля сохраняется и в статической асимптотике. Логика построения систем полевых уравнений для стационарных составляющих данного поля и анализ физического содержания таких уравнений изложены, например, в работе [6].

Форма представленных систем уравнений (1) – (4) говорит о существовании волновых решений для всех компонент ЭМ поля

, ,

и

. В этом можно убедиться, взяв, как обычно, ротор от одного из роторных уравнений любой системы, и после чего подставить в него другое роторное уравнение той же системы. Например, в качестве иллюстрации получим для системы (2) волновое уравнение относительно

:

.

Здесь, согласно (2c),

, - оператор Лапласа, а - фазовая скорость поля волны в отсутствие поглощения. Следовательно, тем самым описываются волны для конкретной составляющей реального электромагнитного поля посредством одной из парных комбинаций четырех указанных волновых уравнений. В итоге возникает физически очевидный вопрос, что это за волны, и каковы характеристики их распространения?