電磁気の物理学的課題

物理（その他） TOM BEARDEN

A few remarks on near field electromagnetic energy transmission

 

抽象
モバイル機器へのエネルギー伝送に対する関心は、近距離場の非放射エネルギー伝送に関する研究を後押ししています。 特許または論文におけるいくつかの構成は、縦方向伝送モードに言及している。 マクスウェルの方程式と矛盾するスカラー波が示唆される。
著者は、新しい分類法が提案された後、連続メディアで使用されているものに近いが、装置と実験はすべて古典的な数学の枠組みの中で解釈できることを示している。
それにもかかわらず、巨視的な近接場は、標準的な解釈では説明できない機械的寸法を持ち、マッハの原理に従って相互作用の概念を拡張する必要があるようです。
さらに、局所エネルギーフラックスの概念は曖昧になります。

 

電磁場は、何百万キロも離れた探査船との長年の通信を可能にし、現在では近距離場の用途でますます使用されています。
非常に低い効率で実現される信号伝送と同時に、エネルギー貯蔵ユニットが使用されないときでさえも自律的な遠隔装置を得るためにエネルギー伝達の問題がしばしばある［１］。
最近、非放射的な方法で効率よく中間距離でエネルギーを伝達するために、新しい装置がMITで研究されました[2]。
そうするために、この装置および他の多くのものは単純なコイルまたは平らに印刷されたスパイラル型アンテナを使用する。 ２つのコイルはしばしば同軸に配置されている。これらのシステムは、使用される周波数範囲では、送受信システムよりもエアトランスのように動作します。
混乱はしばしば近接場と電磁波の体制の間で行われます。しかしそれは可能です
これら2つの動作の違いは、空気の流れと音波の違いと同じくらいです。
無線周波数識別（RFID）のような表現は、多くの場合、「弱放射誘導結合識別システム」で置き換えることができます。この混乱は、波が要素間で交換され、電磁現象の教えの波に焦点を合わせた進化に起因し得ることを示唆している。
波の解釈の存在感を増すことへのこの配向は、電磁界の統一から始まり、Richard Feynmanによる標準モデルの作成の間に、観察されたすべての電気および磁気現象を光子交換
いかなる論争のほかにも、統一はアイデンティティを意味しないことを断言的に思い出させることは有用です。
 同じ形式で電磁気的相互作用と弱い相互作用の両方を記述する電磁的弱統一は、電磁気を見る我々の見方を変えていない。同じように、電磁的統一は存在や純粋に磁気的あるいは電気的行動を隠すべきではありません。統一された表現では、電磁波の存在は特別な構成としてのみ導入されるべきであり、一般的な規則ではない。
概念が明確な数学的意味を持っているならば、それが与えられた装置のふるまいを特徴付けるために単独で使用されることができないならば、近距離場と遠距離場の間の区別も混乱しています。いくつかのシステムは遠くにエネルギーを放射し、他のシステムは放射しないか、またはほとんど放射しません、それら両方のために近距離場と遠距離場を定義することができます。非放射デバイスは通常、準静的近似とは不適切に呼ばれる動的理論モデルによって記述されます。
マクスウェル方程式から導き出されたいくつかの方程式の解であるEM波も、問題全体の近似解と見なすことができます。電気的、磁気的および電磁気的体制の間の正式な不連続性は知られているが、通常の高校教育の呪いではしばしば捨てられている[4]。この分野に存在する大きな混乱を読み、一方では準静的場の生物学的影響および電磁波放射などの実際的状況を安全に考慮し、他方では縦波の存在または標準モデルの完全性などの理論上の問題を考慮する。明確な分類法に関連した適切な語彙について考えることが最初に必要であるように思われます。
「静電モーター」のようなコンパクトな表現が心配です。逆に、ファン周りの空気流の研究に似た状況を考えると、「準静止型装置の近距離場研究」のような複雑な表現を使用することを十分に正確にしたい場合、現在強制されています。

 

2 - 概念領域における明確な分類
我々が提案しようとしている分類は、流体力学に存在する分類と似ています。マクスウェル方程式は、もともと様々な実験からの経験的な結果を集めた結果であり、それらは連続的な材料媒体の記述に含まれるものに近い数学的構造を持つことが知られています。これにより、これら2つのドメイン間にさまざまな類似点が生まれます[5]。
流体力学と同様に、EM方程式は非常に異なる特性を持つ2つのクラスの解を導きます。これらの解は一方では電磁波であり、他方では局所的な準静的場である。 1つ目のクラスは、遠方で独立して音源の最終的な振る舞いに伝播し、それに応じて標準モデルの粒子に伝播する現象を考慮する状況で発生します。関連ドメインは、電磁場が流体力学の音響学に相当するものです。 2番目のクラスの解決策は線源の近くで起こり、数学的なスカラーポテンシャルの概念に結び付けられています。このクラスは材料の流れの研究に似ています、それは現在の力学的側面であり、その研究は非線形効果を含むグローバルな考察を意味します
1.標準モデルパラダイムでは、2番目のクラスに属する現象は「相互作用」の一般用語の下に再分類されます。
量子記述では、光子はEM相互作用のベクトルです。標準モデルでは、通常のコンデンサはフォトンボックスのようなシステムです。しかしながら、光子は箱の中だけでは粒子のようにはなり得ず、光子が電極に衝突するときに生じる引力を説明するためにはむしろそれらは主として外側に留まる必要があります。空間的および時間的に極端に局所化された二元的相互作用を扱う量子電気力学がこの種の状況を説明するために使用できることは証明されていない。さらに、この理論は古典的なクーロンのポテンシャルである電子の近接場を記述するのに使います。それがそれ自身の基礎を説明するのに成功することは非常に奇妙なことです
 3.この量子論の難しさは、Rosenfieldが1932年に彼が貢献した量子論形式論に関する彼の論文の結論[6]の結論において、すぐに喚起された[6]。物質の粒子の相互作用を適切に説明するため、または同じ考え方を別の言葉で説明するために、光子の概念（電磁場の定量化からすぐに得られる）は純粋に放射するもの以外の場の解析に使用できる」 。
電場および磁気近接場は、仮想粒子間の無限の複数のEM相互作用の結果として明確に説明することはできませんが、大規模では説明できない基本的な電気機械的相互作用（EM場と物質間）の影響です。現在の量子形式であり、標準モデルの枠組みにさえ収まりません。
簡単に説明すると、この根本的な難しさは、最初は真空中で単独で静止している2つの電子を考えてみましょう。
これら2つの電子を記述するための最良のモデルは、クーロンの力とそれに関連する場です。
ここで言うのは、そのような近接場問題は、閉じるためには、運動の力学法則に関連するローレンツ力[7]の付加、または電荷と中性物質との間の摩擦のような同等の原理が必要です。
結果として、近距離場問題は常に電気機械的または磁気機械的のいずれかである。 2人の電子に戻って、近接または接触基準を定義する可能性を考えてみましょう。固い接触が原子スケールでは本当の意味を持たないことはすでにわかっています。電子は物理的な広がりを持たないようです。
クーロンの分野は、近分野の定義を可能にするために、いかなる変化も示していない。結果として、私たちの2つの電子は、それらの間の距離がどうであれ、クーロン相互作用をしています。固体接触が2つの物体の電子間の静電反発力の存在によって定義されている場合、2つの電子はそれらの間の距離に関係なく固体接触しています。2つの電子のうちの1つが振動していると仮定すると、この電子に長さを関連付けることができます。
そして、今度は電子の元の位置に重ね合わされるこの小さな動きの近接基準を定義します。それらの間の距離が波長より短ければ、2番目の電子は1番目の電子の近接場にあると言われます。距離が大きければ、2つの電子は電磁波を介して相互作用していると言えます。近距離場の範囲は相対的な概念であり、低周波では近距離場の相互作用の範囲は極端に大きくなる可能性があります。悪名高い原則の中で彼が私たちの近くの空間が宇宙の遠い物体によって構成されていることを彼が示唆したとき、マッハはそのようなメカニズムに言及していました。
実際には、インコヒーレントな議論を避けるために、マクスウェル方程式の内容にのみ頼ることができます。
そのような近距離場の相互作用を含む装置の異なる部分間での何かの伝播についてのいかなる参照も引き起こすことを避ける。実際、これはすべて、局所的な空気の流れを音波の総和まで減らすことができないという同等の明白な事実に他なりません。

 

 

3 - 分類法と用語
近距離場の一般的な振る舞いがかなり複雑なままである場合、システムが通常準静的レジームとして定義されているものにとどまるとき、複雑な電磁力学的方程式を含まない自然で簡単な解が利用可能
1.このようなレジームは、マクスウェル方程式の2つの結合項のうちの1つが無効または無視できるという事実によって特徴付けられます。この単純化は、波の伝播を許さない方程式の減少につながります。言い換えれば、このような状況は、解離不可能な集合体として見られる関与ドメインのあらゆる点の間の相互作用が瞬間的であると考えることが可能であるときに得られる。
2.準静的電気的限界により、コンデンサの数学的記述、より一般的には双極子の研究が可能になります。
多極子は近距離場で結合されるが、準静的磁気限界は結合された磁気双極子または多極子（回転機、変圧器など）の記述を可能にする。両方の場合において、エネルギーが電気的形態であろうと磁気的形態であろうと、エネルギーは源の近くに蓄積されたままであり、遠くには伝播しない。流体領域では、これらの状況は静水圧、またはより一般的には局所流のうちの1つに対応します。したがって、電荷とハリケーンの間に不安な類似点を見つけることが可能です。我々は、それぞれ「影響」と「誘導」、または単に電気と磁気のレジームを2つの非放射限界と呼び、波動方程式の解に関連する現象については「EM波」を維持することを提案する。次に、大きな電場源までの距離が短い場合、システムのサイズが波長に比べて大きい場合は、状況を電気的状況または波の形で記述することができます。長距離では波はすべての状況でのみ残る

波長と比較した装置の相対サイズは、それの主要な挙動に関連する中心的な技術的特徴である。
その相対的な大きさが小さければ、装置は主に位置エネルギーを貯蔵するが、逆の場合にはそれは主に波としてエネルギーを放射するだろう。我々は、第１のクラスの装置を「影響または誘導装置」と呼び、第２のクラスを「放射装置」と呼ぶことを提案する。
通常の静電気学の慣習に従って、通常のコンデンサは全影響装置であるのに対し、相互作用する双極子は部分的な影響を与えるものにすぎないと言うことが可能です。
帰納法の枠組みにおいて、総影響の場合が2つの反対の電荷がそれらのすべての磁力線を交換した状況に対応することを思い出すならば、磁気等価物は磁気双極子単独の場合にのみ対応する。
どちらの場合も、エネルギーをある距離で伝達するためには、遠い負荷の双極子を発電機の双極子に関連付ける必要があります。多数の装置に関連するそのような結合構造が磁気領域においてよく知られている場合、等価の電気構造を見ることは非常に珍しいことである。
マクスウェル - ローレンツの方程式の一般的な枠組みから抽出されたが、影響と帰納は波のパラダイムに触発された心で見たとき非常に厄介な側面を提示することができます。
縦方向に結合されたデバイスを考えると、波の振る舞いと誘導および影響ドメインの間の概念的な違いがはっきりと見て取れます。そのような場合、振動双極子はそのエネルギーを横方向に放射し、エネルギー密度束を表すポインティングベクトルは双極子軸に沿ってゼロであるので、波パラダイムでは発電機と負荷の間を移動する波はない。反対に、電気力の遠方の機械的仕事を考えると、困難は消えます。
4.影響と誘導により、エネルギーは電線にあるのと同じ方法で、近くの双極子間を縦方向に移動します。物質が主に真空で構成されていること、物質内で電子がクーロン力を介して互いに離れている間に機械的に相互作用することを覚えていれば、これは理解しやすいです。
それでも発電機と負荷を区別することがまだ可能であっても、それを減らすことは不可能です。
出発地と目的地から独立して移動するいくつかのエネルギーへの状況。
放射と受信の概念はあいまいになりました（付録1を参照）。システム全体をグローバルカップリングで表現する必要があります。
それはもはや別のそしてどういうわけか独立した単位で構造化することはできません。単語：エミッター、レシーバー、エミッション、受信は完全に避けるべきです。それでも機械的な意味でトランスミッションという言葉を使用することが可能であるならば、トランスポートという言葉を使用するほうがうまくいきます。その結果、真空は無線および非放射エネルギー輸送を可能にする媒体のように見える。

 

 

4 - 様々な実験、記事、特許批判的分析
これまでの発言の後、私たちは論争的な主題を分析して、それらがすべて同じマクスウェル方程式フレームに属していることを証明することができます。
4.1-テスラ
次の装置は、コロラドスプリングス時代（1899年）にテスラによって実現されました。
明確なタイトル[8]、彼は前のものと非常に似ているがEM波のためにこの時間を主張している装置のために間もなく2番目の特許を寄託しました。テスラはおそらくその間マルコーニの仕事について聞いたことがあるでしょう。
発電機Gは、5kVの交流発電機で充電された40nFのコンデンサで構成され、機械的な回転スイッチを介して5kHzでコイルCに放電されます。二次回路は、コイルＡと球状電極Ｄとからなる。一次回路、二次回路および受信回路Ｄ '、Ａ'はすべて、約２４０ｋＨｚの同じ発振周波数に同調されている。
前述の装置の解釈は明らかであるが、そのような装置の波長は以下の通りであることは注目に値する。
それは、キロメートルの範囲内にあり、そして双極子サイズは、波長より数桁小さいので、非常に非効率的な放射装置をもたらす。キロメートルの範囲で非常に小さいエネルギー伝達は、デカメートルの範囲でより重要でした。 Teslaはそれに気付いていませんでしたが、確かに影響力のある領域にいて、そしてそれから本当に良い効率でエネルギーを移すことができました。彼の実験では、球の半径は約5m、一次電力は約2.5kWでしたが、その後数百ワットが約50mの距離に送信された可能性があります。
4.2-アヴラメンコ
Avramenkoは彼が縦方向の密度波を作ったけれども彼が発見したことを特許[9]を通して主張しました。
実際、彼の装置は電気的影響体制で機能し、彼はそれを参照せずに単独で導体の固有容量を使用しています。彼は、いわゆる波はワイヤに沿って任意に遠くまで伝播し、それからエネルギーを遠くに伝達する簡単な方法を提供すると誤って考えていました。

 

4.3-Meyl、Monstein＆Wesley、Tzontchev他
Avramenko特許を参考にして、Meyl [10]は標準科学に亀裂があり、Waserによって批判された独自の理論を開始した。
縦波の振る舞いを含めるために[11]。
Bray＆Britton [13]によって批判されたMonstein＆Wesley [12]、Onoochin [15]によって抽象的に解釈されたTzontchevらの研究[14]はすべて同じ論争に属している。
地球が導体と見なされる場合、説明されているすべての発電機および負荷装置は、Tesla装置とよく似た双極子のような構造です。使用される周波数を考慮すると、記載された装置は主に放射しているものである。いくつかの縦効果は、近距離場で観察されることができました、しかし、全体的に横の構造によれば、それらは遠くで古典的な放射源のように振る舞います。
Monstein＆Wesleyにとっては、遍在する分野と波の混乱を別にすれば、数学的記述は厳密さなしに引き起こされる。例えば、それらが推論しているように波動方程式を生成するのは遅延ポテンシャルではなく、遅延ポテンシャルに関して解を持つ波動方程式です。さらに、そのような方程式を得るためには、ローレンツのゲージのフレームを使う必要があり、同時に伝播ポテンシャルもベクトルポテンシャルについて得られ、結果として得られる波は古典的な横方向の方程式です（詳細は付録2を参照）。それで著者は次の間違いをします、彼らはスカラーポテンシャルだけを保って、ベクトル1を考慮するのを忘れます、そして次に彼らはクーロンのゲージに戻ります。
Tzontchevらにとって、目的はそれらがマクスウェル方程式と矛盾するであろうスカラークーロンポテンシャルに対して有限の速度を示すことである。この研究の彼の分析では、Onoochinはスカラーポテンシャルが縦方向の場に直接結びついていないことを実証し、それからTzontchev実験は元のモデルの失敗とそのようなスカラー波の存在の結果の明確な証拠を述べません。ちなみに、彼は私たちの主な話題とは少し離れていて、Rousseauxの考察[5]、ゲージ不変性の物理的意味の問題に近い、関連する懸念に来ています。
近クーロン場の瞬時性についての繰り返しの話題では、そのような場は結果として生じる拡張された対象物の電荷と一緒になり（あるいは構成さえする）、相対論的収縮の結果とは別に完全に剛体になることに注意することは興味深い
そのような場の「機械的」変位は、一般相対論の制約に束縛され、そして光より遅い。そのような電場の伝播を測定するためには、まずそれを変調する方法を見つけ、次に実際には与えられた真空の点で荷電粒子を生成または除去することができるようにするべきである。これは古典的な枠組みだけでなく、すべての量子論的枠組みでさえも禁じられています。このパラグラフを肯定的に結論づけるために、私たちは、誰かが波のパラダイムの中だけで状況を理解しようと試みるときにEM現象に生じる曖昧な事実に読者の注意を引こうとしたと言うかもしれません。他の人たちは信頼できない議論を使って壁の切れ目を見つけようとしました。
5 - それはマックスウェルモデルのすべてのいくつかの不完全性の後になるのでしょうか？
予測できない動作を捉えるためには、双極子構造に縮小できない球形ジオメトリが必要です。このような構造は、あらゆる横方向の電場と放射を「事実上」抑制します。
最も単純なシステムは、変化する、例えば正弦波の電位差を受ける２つの等強度の同心球を検討することからなる。ガウスの定理は、そのような動的な状況でも依然として有効であり、（内部電荷は全体的にゼロであるため）外部場はゼロのままであるべきであることを意味します。スカラーポテンシャルの伝播に結びつく可能性がある外部場の検出は、ガウス定理の失敗を証明することと等価であり、光子については非ゼロ質量であることが証明されています[16]。
そのような実験は過去に何度も行われました、最も古いものはCavendish Spheresです[17]。最近のものでは、2つの球は高周波数（4 MHz）で出ています。非常に小さい[18]。

 

 

7 - まとめ
情報源からかけ離れて、マクスウェル方程式の唯一の解は波です。情報源の近くでは他の解決策が生じる。
それらはエネルギーの無線輸送に関連し得るが、これらの解決策は波として記述することも古典的な光子の挙動に関連することもできない。その結果、何人かの研究者は「スカラー」または「縦」波と呼ばれる新しいタイプの波を想像しました。これらの波はマクスウェル方程式と両立しないので、ある研究者達はマクスウェルシステムにおけるいくつかの不完全性を求めた。
しかしながら、非常に正確な実験は、もし存在するならばそのような失敗は非常に弱く、そして観察された近距離場エネルギー輸送を説明するのに使用することができないことを示した。
現在の読者は、このアプローチへの興味が限られていることにどういうわけか哲学的なことを見出したかもしれません。実際の場は、それらが近いものであれ、遠いものであれ、同じ一連の方程式を検証し、複数の動作を持つ同じ統一オブジェクトを記述します。統一された構造のこの議論は容認でき、私たちもそれを守ります。それは抑制しません
マクスウェル方程式に存在する数学的な形式的不連続性に従って、拮抗的な振る舞いを持つ2つの領域を明確に分離することに関心があります。そのようなアプローチは、同時に、単純化された数学的および概念的アプローチ、装置機構のより容易な理解による工業的応用、そして最後に現代の物理学の限界についての最良の視界を可能にする。
これらの点を説明するために使用されていた流体力学に基づくイラスト。たとえ原子スケールでその振る舞いが定量化と二元的相互作用によって説明されていたとしても、気体を連続媒体と考えることが可能であり、時には非常に有用であるという事実を否定することはできません。これは、一方では音響につながり、そしてそれはそれ自身の特性につながり、他方では流動解析につながり、そしてそれ自身の特異性がある。音響問題では局所的アプローチを標準モデルに適合させることが可能であり（波はそれが由来する元の音源に独立して伝播することができる）、流動問題では挙動は大域的に必要である（一点の障害は全体を変える）フロー）。
近接場を考慮すると、EMドメインでも同じグローバルな状況が発生しますが、量子記述でも根本的な構造は不明のままです。
実際の現実はとらえどころがなく、曖昧で複雑なものよりは作業方程式と効率的なモデルのみが好まれるべきであることを観察することによって、実用的な立場をたどることも可能です。著者は、物理科学の本質は、与えられた世界の認識とその数学的な形への変換との間の恒久的なフィードバックであると考えています。彼らは、新しいパラダイムが正しい近距離通訳の必要性であり、それが標準的な説明を深く修正していると考えており、これは単純なEM領域よりもはるかにうまくいくと考えています。
アインシュタインに続いて、エーテルの概念は特別な相対性理論を説明するのに必要ではなくて、それは潜在的に実を結ぶもののままであることができるけれども突然追放された。後にアインシュタインは一般相対性理論の大域的理論の基層としてそれを蘇生させることに失敗した。
現在、継続的な基礎となる基盤の概念を再導入するという単純な考えは、コード理論の専門家にとってさえ定式化するのは困難です。そのような実体を操作するけれども、彼らは研究中の座標とその下にある対象との間の混乱を保ちながら、より抽象的な品種の用語でそれらを呼ぶことを好む。
著者は、少なくとも実用的な観点では、流体力学のアナロジーと基本的な構造にかかわらず、未定義連続媒質の見掛け応力に関するEM場の記述は、近距離場の振る舞いを理解するのに役立つ概念的なツールであると考えています。無線エネルギーはその可能性を転送します。