Диэлектричество

Фото: Ahmed-Mater

История науки полна удивительных открытий и «закрытий», если так можно выразиться. Сто лет назад в ходу у физиков было такое понятие, как «диэлектричество», и оно сыграло важную роль в истолковании физических процессов на определённом этапе, но впоследствии было исключено как излишнее.

Если вы спросите профессионального электрика или учёного-физика, что такое диэлектричество, он пожмёт плечами и скажет, что термин этот некорректный, а правильно говорить о диэлектриках, полупроводниках и проводниках как о веществах, различающихся своей проводимостью. Однако диэлектричество – это нечто иное.

Чарльз Протеус Штайнмец (американский инженер-электрик германского происхождения, живший в 1865-1923 годах), писал, что электричество – это продукт взаимодействия магнетизма и диэлектричества. Магнитное поле однозначно собирается в линии – их можно наблюдать с помощью железных опилок, представляющих собой микроскопические компасы. Опилки выстраиваются вдоль линий, которые соединяют северный и южный полюса магнита. Известен также опыт с миниатюрной катушкой, подключённой к наушникам. Двигая катушку поперёк линий магнитного поля, вы услышите в наушниках характерные щелчки.

Понятие диэлектричества возникло, когда учёные начали исследовать структуру электрического поля. Они выяснили, что как и поле вокруг электромагнита, меняющее свои размеры в зависимости от пропускаемого через его катушку тока, электрическое поле внутри конденсатора меняет свою геометрию в зависимости от напряжения на нём. При увеличении заряда силовые линии электрического поля плотнее концентрируются между обкладками конденсатора.

В своей книге «Электрические разряды, волны и импульсы», опубликованной в 1917 году, Штайнмец писал: «К сожалению, в применении к электрическим полям до сих пор сохраняется доисторическая концепция электрического заряда (электрона) на поверхности проводника. Она разрушает аналогию между двумя компонентами электрического поля - магнитным и диэлектрическим и потому излишне усложняет представление поля». По-видимому, слово «доисторическая» у Штайнмеца относится к воззрениям античных философов. А слово «аналогия», на наш взгляд, использовано не совсем удачно: лучше говорить об асимметрии. Например, когда напряжение между двумя проводами увеличивается, они сильнее электростатически притягиваются друг к другу. Когда же увеличивается ток, провода начинают сильнее взаимно отталкиваться магнитными силами.

Более сильный магнит имеет меньший размер поля, чем более слабый. В этом можно убедиться с помощью ферромагнитного визуализатора (ферроячейки) – прибора, в котором между двумя стёклами находится жидкость со взвесью ферромагнитных частиц. Боковая подсветка стёкол ферроячейки позволяет в деталях разглядеть структуру магнитного поля. Бывают и плёночные визуализаторы, которые работают по иному принципу, нежели ферромагнитные.

Взгляните на рисунок, заимствованный из уже упомянутой книги Штайнмеца (см. рис. 1). Линии магнитного поля здесь сплошные, а электрического – пунктирные.

Рис. 1. Линии электрического и магнитного полей вокруг двух проводников,
через которые пропускается электрический ток (источник: Чарльз Штайнмец)

Вглядевшись в изображение, вы увидите, как причудливо накладываются друг на друга гиперболические и тороидные формы. И это – знак деликатного переплетения электрических и магнитных явлений. Гиперболоидная геометрическая форма характерна для электростатических полей, а тороидная – для магнитных (см. рис. 2).

Рис. 2. Визуализация поля от постоянного магнита: овальные пятна
соответствуют полюсам (синий прямоугольник показывает положение
магнита под ферроячейкой, фото: Кен Уиллер)

С этой точки зрения было бы странно по-разному подходить к электрическим и магнитным явлениям, но физики поступают именно так. «Представлять, что электрический ток придаёт обкладке конденсатора электрический заряд, ничем не лучше, чем представлять, что напряжение заряжает проводник в катушке электромагнита определённым количеством магнетизма, - отмечал Штайнмец. – Недаром последнее представление было полностью отброшено учёными, когда Фарадей отобразил магнитное поле силовыми линиями».

Можно посмотреть на проблему и с другой стороны. Мы знаем, что в электромагнитной волне объединены взаимно перпендикулярные электрические и магнитные колебания. В процессе этих колебаний происходит циркуляция энергии с её поочерёдными превращениями. При этом для электрической формы энергии в науке существует носитель – электрон, а для магнитной аналогичного носителя почему-то не нашлось.

Чем различаются электрические и магнитные явления? Все магнитные силовые линии замыкаются сами на себя, а все силовые линии электрического поля тянутся между проводниками (в случае электромагнитного излучения они могут образовывать замкнутые линии). То есть ни одна линия не может уходить в бесконечность. Стоит также отметить, что электрический конденсатор – довольно странная штука. Чем тоньше слой диэлектрика (читай: чем меньше физический объём прибора), тем больше его ёмкость, а значит, тем больше способность накапливать энергию. Это не слишком логично, разве что предположить, что энергия накапливается не в диэлектрике, а где-то ещё.

Магнит – тоже странная штуковина. У сильного магнита, как легко увидеть через ферроячейку, объём поля меньше, чем у слабого. Опять-таки напрашивается объяснение, будто бы энергия сосредоточена не в силовых магнитных линиях, а совсем в другом месте.

Кен Уиллер - американский историк и переводчик древней литературы - продолжил развитие научной школы Штайнмеца. Он объясняет, что известное нам электричество представляет собой объединение магнетизма и диэлектричества. «Считать, что электричество есть движение электронов, полная глупость, – отмечает Уиллер. – Электроэнергия приходит в наши дома, минуя целый ряд повышающих и понижающих трансформаторов, в которых цепь электронов многократно прерывается». Уиллер убеждён, что электрон является единицей диэлектрической индукции, то есть это единица измерения, а не существующая в природе вещь. Точно так же в природе нет ни метров, ни килограммов, ни секунд, которые суть человеческие понятия.

Согласно Уиллеру, диэлектричество противопространственно, откуда и проистекает феномен увеличения ёмкости конденсатора при уменьшении его размеров. По его логике не может быть так, чтобы по линии электропередачи 10 кВ передавалась энергия, способная тащить в гору товарный поезд. Эта энергия в действительности передаётся через эфир, причём сами провода здесь служат «границами цепи», или «противопространственными рефлекторами». За подробностями отошлём читателя к книге Кена Уиллера «Раскрывая секреты магнетизма» (для загрузки щёлкните здесь).

Напоследок предлагаем читателю посмотреть видеозапись эксперимента из Массачусетского технологического института, где показано, что конденсатор накапливает энергию не в электрических зарядах на поверхности электродов, а в диэлектрике (в данном случае в стекле лейденской банки). Досмотрите видео до конца.