Вращательный электродинамический эффект

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

О.Ф. Меньших

Вводная часть

Открытие относится к области физики, в частности, к вращению плоскости поляризации света в средах, обладающих искусственной циркулярной анизотропией.

Вращение плоскости поляризации (В.п.п.) света - объединённая общим феноменологическим проявлением группа эффектов, заключающихся в повороте плоскости поляризации поперечной волны в результате взаимодействия с анизотропной средой. Наибольшей известностью пользуются эффекты, связанные с В.п.п. света, хотя аналогичные явления наблюдаются и в других областях спектра электромагнитных волн (в частности, в СВЧ-диапазоне), а также в акустике, физике элементарных частиц и т. д.

В.п.п. обычно обусловлено различием коэффициентов преломления среды для двух циркулярно поляризованных (по правому и левому кругу) волн (т.н. циркулярной анизотропией) и описывается в общем случае аксиальным тензором второго ранга, связывающим аксиальный вектор угла поворота ? плоскости поляризации с полярным волновым вектором k. В среде, обладающей только циркулярной анизотропией, линейно поляризованная волна может быть разложена на две нормальные циркулярно поляризованные волны равной амплитуды, разность фаз между которыми определяет азимут плоскости поляризации суммарной волны В однородных средах, обладающих циркулярной анизотропией, угол ? В.п.п. линейно зависит от длины пути в среде. Циркулярная анизотропия может быть как естественной (спонтанной, присущей среде в невозмущённом состоянии), так и искусственной, индуцированной внешним воздействием. Во втором случае циркулярная асимметрия может быть обусловлена асимметрией возмущающего воздействия или совокупными симметрийными свойствами среды и возмущения.

Естественная циркулярная анизотропия (в оптике - оптическая активность, в акустике - акустическая активность) наблюдается лишь в средах, обладающих определённой структурной асимметрией (в частности, в средах, лишенных центра симметрии). В жидкостях и газах соответствующей асимметрией должны обладать атомы или молекулы среды, в кристаллах циркулярная анизотропия может являться следствием структурной асимметрии кристаллической решётки. В радиодиапазоне эффект В.п.п. может наблюдаться при распространении радиоволн через слой металлических спиралей, хаотически расположенных в пространстве, но намотанных в одну сторону (например, все спирали правые).

Естественная циркулярная анизотропия является прямым следствием дисперсии пространственной, определяемой зависимостью отклика среды не только от значения волнового поля в заданной точке, но и от его пространственных производных. Параметром, определяющим степень проявления пространственной дисперсии в эффекте В.п.п., служит отношение характерного размера структурной единицы среды - атома, молекулы, элементарной ячейки кристалла и т. д.- к длине волны. Для сред с естественной циркулярной анизотропией знак В.п.п., определяемый обычно через направление распространения волны (например, по "правилу буравчика"), не зависит от знака волнового вектора. Поэтому, в частности, инверсия направления распространения света в оптически активной среде приводит к обратной эволюции азимута плоскости поляризации при распространении света в противоположном направлении, и суммарный угол В.п.п. после двойного прохода волны через циркулярно-анизотропную среду оказывается равным нулю (в лабораторной системе координат).

Среди возмущений, приводящих к появлению индуцированной циркулярной анизотропии, наиболее важное место занимает магнитное поле. Обладая симметрией аксиального вектора (кругового контура с указанным направлением вращения), магнитное поле нарушает циркулярную изотропию среды, что проявляется во В.п.п. при распространении волны вдоль направления намагниченности (эффект Фарадея). Знак В.п.п., обусловленного магнитной циркулярной анизотропией, определяется направлением приложенного магнитного поля и меняется при инверсии направления распространения волны. Поэтому многократное прохождение волны через среду может использоваться для накопления угла магнитного В.п.п. Эта особенность применяется при создании так называемых невзаимных элементов (оптических и микроволновых вентилей), свойства которых оказываются существенно различными для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. В средах, обладающих спонтанным магнитным моментом (ферромагнетиках), магнитное В.п.п. может наблюдаться и при отсутствии внешнего поля.

С симметричной точки зрения, эффекту Фарадея аналогичен эффект В.п.п. в среде, подвергнутой интенсивному облучению циркулярно или эллиптически поляризованным светом (так называемый обратный эффект Фарадея [1-5]), а также обнаруженный недавно эффект "вращательного увлечения эфира" - В.п.п. света, распространяющегося во вращающейся среде [6].

Важной симметричной особенностью эффектов В.п.п. в намагниченных и вращающихся средах является инверсия знака эффекта при операции обращения знака времени. Этот факт, на первый взгляд, накладывает запрет на возможность существования электрического аналога подобных эффектов, так как полярный вектор напряженности электрического поля нечувствителен к операции инверсии времени. Однако приложение внешнего электрического поля к циркулярно-асимметричной среде, обладающей электропроводностью, нарушает исходную симметрию системы к операции инверсии времени, и такой эффект оказывается возможным.

Следует обратить внимание, что индуцированная циркулярная анизотропия может иметь такую же симметрию, как и естественная оптическая активность. Например, "естественную" оптическую активность приобретают твёрдые изотропные среды, подвергнутые крутильной деформации (фотоупругость), а также изотропные среды в любых агрегатных состояниях под действием внешних электрических полей специальной "спиральной" конфигурации. В кристаллах определённых классов симметрии возможно возникновение или изменение оптической активности под действием приложенного однородного электрического поля (электрогирация).

В.п.п. может наблюдаться и при отражении волны от циркулярно-анизотропной среды (например, магнитооптический эффект Керра).

Эффекты В.п.п. могут быть следствием не только циркулярной, но и линейной анизотропии среды. Так, В.п.п. наблюдается при распространении волны в линейно-дихроичной среде, лишённой двулучепреломления, а также при прохождении волны через линейную полуволновую фазовую пластинку. В этих случаях, однако, даже для однородных сред нельзя говорить о линейной зависимости угла В.п.п. от длины пути в среде.

Эффекты В.п.п. света находят применение как в технике, так и в физических исследованиях структуры и магнитных свойств атомных и конденсированных сред. Существующие приборы для измерения углов В.п.п. в оптической области спектра - поляриметры и спектрополяриметры - обладают чувствительностью ~10 -6 - 10 -7 град, что позволяет детектировать чрезвычайно малые различия показателей преломления среды для двух циркулярных поляризации (~10-12) и исследовать тончайшие эффекты, приводящие к циркулярной анизотропии среды. Наиболее выразительный пример - исследования оптической активности атомных систем, обусловленной нарушением чётности при слабых взаимодействиях.

В настоящей работе рассматривается теоретически обнаруженный эффект В.п.п. как во вращающихся оптически прозрачных изотропных средах, так и при приложении к ним поперечного распространению света вращающегося электрического поля, заменяющего, в известной степени, вращение среды.

1. Приоритет открытия

плоскость поляризация свет анизотропия

Возможность В.п.п. света в изотропных оптически прозрачных неподвижных средах под действием поперечного распространению света вращающегося электрического поля, а также при вращении таких сред была теоретически предсказана автором 29.05.1965 в заявке на предполагаемое открытие «Вращательный электродинамический эффект» (заявка в Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР, зарегистрирована 29.05.1965 за № 32-ОТ-4488, справка № 708 от 9.06.1965, см. прилагаемую копию справки о приоритете по указанному открытию). По данной заявке сотрудниками ФИАН СССР в заключении было отмечено, что работы на аналогичную тему неизвестны, однако по состоянию на 1965 год из-за отсутствия экспериментального подтверждения заявленных в качестве открытия положений диплом на открытие не был выдан.

Автор проанализировал доводы указанного заключения, не согласился с его выводами и вновь подал заявку на открытие «Вращательный электродинамический эффект», которая была зарегистрирована от 25.06.1975 за № 32-ОТ-9012 и вновь направлена на консультацию в научное учреждение в Московский физико-технический институт. 20.01.1976 года автору было представлено заключение, утверждённое проректором МФТИ член- корреспондентом АН СССР О.М.Белоцерковским, в котором указано, «что эффект вращения плоскости поляризации для изотропного вещества, помещённого во внешнее поле, при определённых обстоятельствах, по-видимому, может существовать». Следовательно, такое заключение может указывать на новизну заявленных автором научных положений и лишь доказывает сомнения экспертизы в правильности этих положений, как не доказанных экспериментально.

В ответе начальника Отдела госрегистрации открытий и изобретений Ф.Ананьева от 22.09.1965 по заявке № 32-ОТ-4488 было указано, что «Комитет сможет вернуться к рассмотрению заявки, когда у автора будет подготовлено экспериментальное подтверждение достоверности заявленного в качестве открытия положения».

Как указано во вводной части данной заявки, недавно обнаружен эффект "вращательного увлечения эфира" - В.п.п. света, распространяющегося во вращающейся среде [6]_ что и было предсказано автором в его заявке № 32-ОТ-4488 от 29.05.1965. Кроме того, там же отмечено, что для некоторых циркулярно-асимметричных сред, обладающих электропроводностью, приложение внешнего электрического поля нарушает исходную симметрию системы к операции инверсии времени и такой эффект оказывается возможным. Иначе говоря, то, что ранее экспертами воспринималось как заблуждение автора заявки, впоследствии нашло своё экспериментальное подтверждение.

Следовательно, теоретически обоснованный автором эффект В.п.п. во вращающихся средах, а также в неподвижных средах, к которым приложено внешнее вращающееся электрическое поле, ортогональное волновому вектору светового поля, впоследствии был экспериментально подтверждён, что позволяет признать теоретически обоснованные автором научные положения открытием «Вращательного электродинамического эффекта» с приоритетом по указанной выше дате подачи заявки № 32-ОТ-4488.

2. Сущность открытия

В качестве итогов работы по заявке на открытие № 32-ОТ-4488 были указаны ниже следующие.

1. Механическое вращение оптически прозрачного вещества с естественной оптической активностью вокруг направления распространения света приводит к дополнительному повороту плоскости поляризации света

2. В некоторых средах приложение к ним поперечного электрического поля приводит к появлению в них искусственной анизотропии (искусственной оптической активности).

3. Утверждается об адекватности замены механического вращения естественной оптически активной среды на приложенное к неподвижной среде поперечного распространению света вращающегося электрического поля, в результате которого возникает вращательный электродинамический эффект, являющийся необратимым для прямой и обратной световых волн.

4. Показано, что вращательный электродинамический эффект является в известной мере аналогом эффекта Фарадея, связанного с наведённой искусственной оптической активностью изотропной среды в продольном магнитном поле.

Сформулированная в заявке на открытие № 32-ОТ-4488 формула открытия приводится ниже в следующей редакции:

«Установлено ранее неизвестное явление - вращательный электродинамический эффект, состоящие в дополнительном повороте плоскости поляризации света в некоторых изотропных веществах, помещённых в поперечное направлению распространения света вращающее электрическое поле, напряжённость которого определяет величину возникающей в веществе искусственной оптической активности, а направление и скорость его вращения - знак и величину дополнительного угла поворота плоскости поляризации, так что данное явление может быть объяснено на основе модели образца, обладающего естественной оптической активностью (например, кварцевого), вращающегося вокруг оси, совпадающей с направлением распространения света» (дата подачи заявки указана 22.05.1965 из Новосибирского госуниверситета, где автор учился в аспирантуре на физическом факультете с 1963 по 1967гг.).

Данная заявка подаётся в МААНОИ и является третьей уточнённой редакцией без изменения сущности первоначально заявленных в 1965 году научных положений, и теперь нет оснований сомневаться в экспериментальной доказанности этих положений. Уточнение формулы открытия касается только приведения формулы в соответствие с действующим Положением и может быть представлено в следующей редакции: «Теоретически установлен ранее неизвестный вращательный электродинамический эффект, заключающийся в возникновении искусственной оптической активности в изотропных веществах при действии на них поперечного направлению распространения света вращающегося электрического поля и объясняемый теоретически и экспериментально установленным намагничиванием вещества под действием вращательной поляризации атомных и молекулярных электрических диполей, синхронно вращающихся с частотой вращения электрического поля с образованием амперовых токов в параллельных плоскостях, ортогональных вектору намагничивания». Явление намагничивания диэлектриков, помещаемых во вращающееся электрическое поле, было установлено в заявке автора на предполагаемое открытие «Явление намагничивания материалов во вращающихся электрических полях» с приоритетом от 15.04.1964, зарегистрированной в Госкомитете по делам изобретений и открытий СССР за № 32-ОТ-3703, по которой необоснованно было принято решение об отказе в выдаче диплома на открытие, в связи с чем автор вновь подал аналогичную заявку на открытие «Явление намагничивания диэлектриков во вращающихся электрических полях» в МААНОИ от 23.03.2005 (получена в МААНОИ 04.04.2005 согласно уведомления о вручении) [13].

3. Доказательства достоверности открытия

3.1 Экспериментальные доказательства

Экспериментальное доказательство того факта, что вращающаяся среда, в которой распространяется плоско поляризованное монохроматическое колебание вдоль оси вращения указанной среды, рассматривается как объект "вращательного увлечения эфира" при В.п.п., получено в недавних работах ряда авторов [6]. В этих работах также показано, что для некоторых сред искусственная оптическая активность возникает при приложении к ним поперечного электрического поля [7, 12], что подтверждено с использованием высоко чувствительных оптических поляриметров [14-15].

Также строго экспериментально установлен так называемый обратный эффект Фарадея, состояний в намагничивании веществ в поле циркулярно поляризованной волны света

[1-3], являющийся оптическим аналогом намагничивания диэлектриков во вращающихся электрических полях [4, 13], и на основе последнего создан детектор АМ-колебаний [5], а обратный эффект Фарадея (Свето-магнитный эффект - в трактовке автора) использован в измерительной технике [16] и в СВЧ генерирующем устройстве [17] нового типа.

Автором установлен закон сохранения поляризации электромагнитных волн [18], согласно которому всякое нестационарное взаимодействие волн света с веществом приводит в таком процессе к «красному смещению» (потере части энергии светового поля) той группы фотонов, которая принимает участие в этом нестационарном процессе. Об этом было сделано сообщение автора в Институте проблем управления АН СССР в 1975 году [19], и предложен ряд приборов для обнаружения эффекта «красного смещения» [20-21].

Поскольку намагничивание изотропной среды возникает как экспериментальный факт под действием поперечного направлению распространения света в такой среде вращающегося электрического поля, то ясно, что это намагничивание изотропной среды, вектор которого коллинеарен волновому вектору светового поля, вызывает вращение плоскости поляризации света, как при эффекте Фарадея.

Рассмотрим возникновение дополнительного поворота плоскости поляризации моно-хроматического света с длиной волны ? в образце кристаллического кварца длиной L вдоль направления распространения в нём плоско поляризованной световой волны при вращении этого образца относительно оси, коллинеарной волновому вектору светового поля, с угловой скоростью вращения ?. Так, известно, что для излучений гелий-неонового лазера с длиной волны ? = 6328 А (0,6328 мкм), удельное вращение составляет ?(?) = 18,86 О/мм при температуре to = 20OC. Следовательно, при длине образца L плоскость поляризации света повернётся на угол ? = ?(?) L, а время прохождения волны света в образце

?t = nL/c

где n - показатель преломления вещества образца (для кварца n = 1,51 при to = 20OC и ? = 6328 А),

с - скорость света в пустоте (с = 3*108 м/сек). При этом угловая скорость В.п.п. в образце ? равна ? = ? ?(?) L / 180?t = ? ?(?) с / 180n = 18,86*3*1011/57,3*1,51 = 0,654*1010 рад/сек или, что то же, частота В.п.п. F = ? / 2? = 1,041*10 9 Гц = 1,041 ГГц. Распространение плоско поляризованного света можно интерпретировать в виде спирально- поступательного распространения плоскости поляризации света с шагом спирали h = c/Fn = 360О/?(?) = 360/18,86 = 19,09 мм.

Полагая, что скорость распространения света в кварцевом образце не зависит от скорости его вращения с угловой скоростью ? и соответствует скорости с / n для неподвижного образца, легко понять, что при различии знаков для векторов вращения ? и ? шаг dЭКВ эквивалентной спирали увеличивается, и полный угол поворота плоскости поляризации уменьшается на выходе образца по сравнению с тем, какой был при неподвижном образце. Если знаки векторов ? и ? совпадают, это приводит к увеличению угла поворота плоскости поляризации на выходе образца. Из этого следует, что вращение среды с естественной оптической активностью (право- или левовращающей) приводит к эффекту «вращательного увлечения эфиром» плоскости поляризации света, который был экспериментально обнаружен, а само увлечение соответствует направлению вращения образца. Механическим аналогом такого эффекта является движение гайки на болте, при котором гайка проходит по резьбе за фиксированное время, но поворачивается при этом на разные углы в случае, если болт вращается в том или ином направлении относительно оси вращения гайки.

Поскольку частота F на много порядков превышает практически осуществимую частоту механического вращения образца кварца ?/2?, то возникающий дополнительный угол поворота плоскости поляризации за счёт эффекта «увлечения эфиром» является чрезвычайно малым. Например, при частоте вращения образца в 100 об/сек приращение (того или иного знака) величины оптической активности

?(?) = ? ?(?) / ? = 628*18,86 / 0,654*1010 = 1,811*10 - 6 О/мм = 6,52*10 - 2 угл.сек/мм.

Такое изменение оптической активности практически сложно установить существующими оптическими поляриметрами, работающими по полутеневому методу. При этом для обнаружения эффекта «увлечения эфиром» следует увеличивать длину образца L до величины, не превышающей длину когерентности светового пучка. Поэтому целесообразно использовать лазерное излучение, обладающее высокой когерентностью, а также средства кольцевого накопления результатов

Работа такого устройства состоит в следующем.

Пусть импульсный лазер с модулированной добротностью 10 излучает короткий импульс длительностью ? с линейной поляризацией, совпадающей с главной плоскостью поляризации поляроида 11 под углом Ф0. Длина волны ? излучения лазера 10 совпадает с максимумом спектра усиления в оптическом квантовом усилителе 3, который восполняет потери сигнала, циркулирующего в кольцевой системе, образованной полупрозрачным зеркалом 7 и отражателями 4 - 6. Период циркуляции оптического импульса Т >> ?. Для увеличения числа эффективных циркуляций m в кольцевой системе использованы пластинка с аномальной дисперсией 8 и нелинейный оптический элемент 9, препятствующие «расплыванию» светового импульса по его длительности. В кольцевую систему введена исследуемая среда 1, например, оптически прозрачный изотропный стержень. Исследуемая среда 1 связана с источником возмущения 2, который может быть представлен источником возмущения 2 в виде синус-косинусного генератора с круговой частотой ? и амплитудой колебаний U0, электрические колебания которого подаются на квадрупольный конденсатор, внутри которого помещена исследуемая среда, в которой при этом действует поперечное оптической оси вращающееся электрическое поле, возбуждающее в изотропной среде искусственную оптическую активность ?(?), величина которой является функцией вещества исследуемой среды, температуры, напряжённости электрического поля

Е = U0 / d

где d - расстояние между оппозитно расположенными пластинами квадрупольного конденсатора, то есть ?(?) = g (Е, ?) при прочих постоянных параметрах.

Циркулирующие в кольцевой системе световые импульсы, поляризация которых изменяется от импульса к импульсу циркуляций на величину ?? = ?(?)L, частично поступают на интерферометр Майкельсона, выполненный на полупрозрачном зеркале 12 с 50% пропусканием и отражением и отражателями 13 и 14, в оптических ветвях которого размещены скрещенные николи 16 и 17, главные плоскости поляризации которых развёрнуты под углами Ф0 + ?/4 и Ф0 - ?/4 соответственно. В одной из ветвей интерферометра установлена компенсирующая пластинка 15 регулируемой толщины для подстройки разности хода в интер-ферометре складываемых оптических пучков света (например, прозрачный фотометрический клин). Это обеспечивает изменяющуюся во времени интенсивность светового потока IВХ, прошедшего через диафрагму 18 в дискретные моменты времени t*, на входе первого фотоприёмника 19 по закону

IВХ(t*) = ki ІВХ sin2{2?(?)L Ent[t/T]} в функции времени t,

где ki - коэффициент потерь циркулирующих импульсов света (i = 0, 1, 2,…m), при разности хода интерферирующих пучков света ? = ?(2r+1)/2 (r = 0, 1, 2,… - целые числа). Нетрудно понять, что IВХ(t) = 0 при условии, что ?(?)LEnt[t/T] = j?/2, где j = 1, 2,…,N - целые числа. Полагая, что Ent[t/T] = s j при t = s j T и max j = N, «нулевые» по интенсивности световые импульсы будут поступать на вход первого фотоприёмника 19 через интервалы времени ?t= = s T, то есть за s циркуляций. Это будет соответствовать длине взаимодействия L? света с веществом L? = sL при коррекции дисперсионного «расплывания» волнового пакета и при N-кратном измерении, повышающим достоверность последнего.

Тактовая частота циркуляций 1/Т регистрируется вторым фотоприёмником 22, связанным с кольцевой системой через диафрагмуполупрозрачный отражатель 23, и записывается в соответствующим запоминающем устройстве, например, по первому входу двух-дорожечного видеомагнитофона 24, на второй дорожке которого записываются импульсы с осциллирующей амплитудой, прошедшие с выхода первого фотоприёмника 19 через пороговое устройство 20 и схему совпадений 21. Расшифровывая временное положение «нулевых» импульсов, можно найти значение числа s и, следовательно, величину ?(?) оптической активности исследуемой среды ?(?) = 90О / s L [О/мм] (здесь длина L выражена в мм) .

Опуская рассмотрение процессов дисперсии оптических импульсов в исследуемой среде [25], укажем, что анализ показывает, что число циркуляций в кольцевой системе может достигать величины sN = 104 …105, что при L = 1000 мм позволяет получить чувствительность прибора для измерения удельной оптической активности ??(?) не хуже 3,2*10 - 3 угл.сек/мм. Это означает, что с помощью рассмотренного прибора можно обнаружить эффект «вращательного увлечения эфира» в рассмотренном выше примере вращения изотропного стержня с угловой скоростью ? = 628 рад/сек. (100 об/сек). При этом минимум числа N «нулевых» отсчётов равен min N ? 10.

Как указывалось выше, круговая частота В.п.п. ? в оптически активном веществе с удельным вращением ?(?) равна ? = ?с ?(?)/180n. На рис.2 изображён график зависимости коэффициента удельного В.п.п. в функции круговой частоты механического вращения ? образца из вещества с естественной оптической активностью ?01 (при ? = 0) - жирная прямая, и ?02 - пунктирная прямая, параллельная прямой для ?01. Угол наклона ? этих прямых не зависит от сортности оптически активного вещества, а определяется лишь его показателем преломления n. Результирующая оптическая активность вещества при его вращении определяется уравнением

?(?) = ?О + ? tg ? (при этом ?О = ?(?) при ? = 0)

где tg ? ~ ?О/ ?. Тогда имеем ?(?, ?) = ?О [1 + (?/?)]. Это указывает на дополнительный поворот ?? плоскости поляризации, соответствующий углу поворота образца в течение времени прохождения света через этот образец. Отношение ?/? = h n ? / 2? c << 1.

Вращательный электродинамический эффект (ВЭДЭ) в изотропных веществах проявляется при приложении к ним поперечного направлению распространения света вращающегося электрического поля с достаточно большими величинами напряжённости поля Е и угловой частоты ? [2 - 4].

При этом в линейном приближении

Н = ??Е/2?

где ? - коэффициент преобразования, имеющий размерность [А*сек/В] = [фарада].

Как показано в работе [4], под действием вращающегося электрического поля в диэлектриках (изотропных веществах) возникает намагниченность, и вектор магнитного поля с напряжённостью Н ортогонален плоскости вращения вектора Е. При напряжённости магнитного поля Н, направленного вдоль волнового вектора света, как известно, возникает В.п.п. благодаря эффекту Фарадея, и при этом удельное вращение ?(?) согласно закону Фарадея равно ?(?) = V H, где V - постоянная Верде для рассматриваемого вещества.

Аналогичная картина имеет место в обратном эффекте Фарадея [1,2] - намагничение изотропного вещества при прохождении через него циркулярно поляризованной волны света. В трактовке автора светомагнитный эффект записывается как

Н = ? u ? sin ?

где ? -светомагнитная постоянная данного вещества, имеющая размерность [м*сек/Вольт], u - плотность потока световой энергии (вектор Пойнтинга), ? = с / ? - частота светового излучения,

? - разность фаз между компонентами световой волны, характеризующая её циркулярность (при чисто круговой поляризации имеем ? = ? / 2). В этой формуле плотность потока энергии u, как известно, пропорциональна первой степени напряжённости электрического поля световой волны (u = [Е* Н*]), следовательно, формулы Н = ??Е/2? и Н = ? u ? sin ? оказываются эквивалентными при замене световой волны с круговой поляризацией и частотой ? на СВЧ электромагнитную волну с существенно более низкой частотой ?, которая соответствует поперечному СВЧ вращающемуся электрическому полю Е = Е* с частотой ? = 2? ?, что позволяет записать выражение связи этих эффектов ??Е / 2? = ? u ? sin ?, откуда получаем для постоянных ? и ? соотношение ?/? = (2?u?/?Е) sin ? и для волны с чисто круговой поляризацией (? = ?/2) имеем ?/? = 2?[E*H*]?/?Е, откуда с учётом компланарности векторов Е и Е* получаем соотношение ? / 2? ? = ¦H*¦, согласно которому отношение ?/2?? не есть число постоянное для данного исследуемого вещества, а определяется внешним воздействием (поскольку H* - величина произвольная), в частности, зависимостью коэффициента ? от величины действующей напряжённости электрического поля Е. Возможно также полагать, что коэффициент ? может обладать дисперсией в функции частоты ?, то есть коэффициент ? является сложной функцией этих параметров E и ?, то есть ? = f(E, ?), и эту зависимость следует установить опытным путём, равно как и для коэффициента ?.

ВЭДЭ и светомагнитный эффект имеют фактически одну и ту же природу - возникновение униполярной намагниченности изотропного оптически прозрачного вещества в поле циркулярно поляризованной волны большой интенсивности (вращающегося поперечного электрического поля), поскольку в обоих случаях происходит изменение поляризации проходящего в веществе света - поворот плоскости поляризации за счёт эффекта Фарадея. Если полагать, что постоянная Верде V = const для данного вещества, то логично предположить, что постоянные ? и ? названных эффектов не являются константами для данного вещества, и эти оба эффекта следует считать нелинейными.

Таким образом, явление намагничивания материалов (диэлектриков) во вращающихся электрических полях, ВЭДЭ и свето-магнитный эффект (названный в физике как «обратный эффект Фарадея») по сути имеют единую физическую природу и должны рассматриваться как одно целое, что позволяет исчислять приоритет всех этих явлений и эффектов по дате первоначально поданной автором заявки на открытие [4], то есть с 15.04.1964г.

К экспериментальному доказательству заявляемого эффекта следует также отнести работу автора [26].

3.2 Теоретические доказательства

Как известно [27 - 28], уравнение свободных колебаний электрона при его смещении r в атоме от равновесного состояния с учётом поглощения ? имеет вид

, (1)

где ?0е - собственная круговая частота колебаний электрона.

Под действием электромагнитного поля электрон совершает вынужденные колебания с круговой частотой поля ?е = 2? с/? и при этом для смещения r получаем выражение

, (2)

где е и m - заряд и масса электрона, - амплитуда напряжённости электрического поля волны света. При этом смещение электрона приводит к появлению электрического диполя р

, (3)

где электрическое поле Е* волны определяется в среде вдоль оси z распространения света как

E* = exp [i(?еt - kz)]

где k = 2?/? - волновой вектор, ?е = 2?? = 2?с/?.

Вектор дипольного момента р для электромагнитной волны, поляризация которой задана в одной плоскости (под углом Ф0), лежит в этой же плоскости. Учитывая квантованность процессов поглощения и излучения атомами вещества энергии электромагнитного поля порциями

h? = hc/?

где h = 6,62*10 - 34 Дж.сек - постоянная Планка, можно ввести понятие электрического поля ЕФ, ответственного за образование дипольного момента у возбуждённого атома при поглощении им фотона с энергией h? =. На основе постулата Бора и кулоновского взаимодействия электрона в возбуждённом атоме с его ядром для указанной напряжённости поля ЕФ получим выражение

, (4)

величина которого для излучения Не-Ne лазера (? = 0,63 мкм) имеет порядок 107 В/см.

Вместо (4) можно также записать выражение

, (5)

где Еа ~ eZ/ra2 - напряжённость поля внутри атома на расстоянии порядка радиуса Бора

ra = 4?2h2/mZe2 (Z - зарядовое число ядра атома), Е0 ~ mZ2e4/4?2h2 - энергия атомных электронов, ? - некоторое число, подлежащее экспериментальному определению. Если ? = 0, то ЕФ = Еа, и при этом расчёты показывают, что ЕФ = Eа ~ 107 В/см. Такая большая величина напряжённости электрического поля внутри атома свидетельствует о высокой устойчивости атомной структуры. Однако действие внешнего электрического поля Е также вносит соответствующую коррекцию положения вектора дипольного момента р.

Согласно постулатам Эйнштейна в процессах поглощения и испускания атомами фотонов электромагнитного поля сохраняются поляризация, частота и направление движения фотонов. Постулируемые свойства исходят из стационарности атомной среды, в частности, при сохранении пространственного положения вектора дипольного момента атома в его возбуждённом состоянии. Однако, приложение к веществу вращающегося внешнего поля Е вектор дипольного момента р поворачивается на угол ?? = ??ЕVL/2? в направлении вращения вектора магнитного диполя и поэтому поляризация выходящего из вещества электромагнитного поля оказывается повёрнутой на угол ?? относительно первоначальной на входе вещества.

Сравнивая углы поворота плоскости поляризации при ВЭДЭ для случаев механического вращения образца исследуемого изотропного вещества с угловой скоростью ? и при приложении к этому веществу внешнего поперечного вращающегося поля с напряжённостью Е и угловой частотой ? (полагая частоты ? в обоих случаях одинаковыми), замечаем связь вида ?nL/c = ??ЕVL/2?, откуда получаем n/c = ?ЕV/2? ~ tg ? (см.рис.2).

Интересно при этом отметить, что, поскольку n/c и V для данного вещества есть величины неизменные, то коэффициент ? должен быть обратно пропорциональным значению напряжённости Е, действующей в веществе, и эффект вращения плоскости поляризации света при ВЭДЭ казалось бы должен определяться лишь угловой частотой ? вращающегося электрического поля. Кроме того, при Е = 0 коэффициент ? = ?, что не имеет под собой физических оснований, также при Е = 0 эффект В.п.п. не должен обнаруживаться. Следовательно, нельзя признать указанное выше равенство справедливым, то есть на самом деле ?nL/c ? ??ЕVL/2?. Физическое толкование этого неравенства таково: при механическом вращении изотропного или оптически активного вещества происходит В.п.п. с угловой скоростью вращения этого вещества в течение времени прохождения волны света в нём, а при электрическом «вращении» вещества происходит опережающее «скольжение» вектора Е вращающегося электрического поля относительно В.п.п., и степень такого «скольжения» зависит от соотношения внешнего наведённого поля Е к внутриатомному полю Еа, имеющему порядок 107 В/см. Чем больше отношение Е / Еа, тем меньше величина «скольжения».

Для рассмотрения эффекта «скольжения» положим, что в начальный момент времени t = 0 имеем различие углового положения вектора дипольного момента атома р, обусловленного действием электрического вектора электромагнитного поля распространяющегося в изотропном веществе света, и вектора внешнего наведённого вращающегося поля Е(t), равное углу ?. Это приводит к повороту вектора р(t) по правилу сложения векторов в функции времени на угол ??(t), а именно имеем tg ??(t) = Е(t) sin ?/[Еа(t) + Е(t) cos ?], следовательно, опережающий угол ? внешнего поля Е(t) относительно вектора дипольного момента атома р(t) вызовет доворот последнего лишь на величину ?? < ? в установившемся процессе, что и определяет величину «скольжения».

Приравнивая производную от выражения tg ??(t) по углу ? нулю, получаем оптимальный угол ?* = ? - arcos (E/Ea), при котором обеспечивается максимум угла ??*, равный max ??* = arctg [E / (Ea2 - E2)1/2]. Из этого следует, что при Е > Ea получаем ??*>?/2 и при этом также ?* = ?/2, то есть отсутствует «скольжение» вектора Е относительно вектора р при Е > Ea. Поскольку всегда по условиям электропрочности вещества Ea >> Е, в реальной системе всегда имеет место указанное «скольжение» векторов Е и р, то есть угловая скорость В.п.п. при ВЭДЭ всегда меньше угловой скорости ? внешнего наведённого вращающегося электрического поля. К такой системе применимо введённое в физике в последнее время понятие «вращательного увлечения эфира», которое фактически приобрело право на существование ещё в 1964 году в связи с работой автора [4].

Следовательно, для ВЭДЭ при использовании внешнего вращающегося электрического поля Е с учётом поправки на указанное выше «скольжение» формула

?? = ??ЕVL/2?

приобретает вид

?? = ?0?Е2VL/2?(Ea2 - E2)1/2

где ?0 = const - постоянная ВЭДЭ.

Таким образом, механическое вращение изотропной оптически прозрачной среды относительно направления распространения плоско поляризованного света и приложение к такой среде поперечного направлению распространения света вращающегося электрического поля с достаточной величиной напряжённости приводит к возникновению В.п.п. света в направлении вектора вращения, что нашло своё экспериментальное подтверждение.

По закону сохранения поляризации электромагнитных волн [18] возникающее в процессе непрерывно во времени протекающего нестационарного взаимодействия волн света с веществом, подверженным действию вращающегося электрического поля, при котором поляризация света вынуждена непрерывно во времени изменять свою величину, взаимодействуя с веществом, «красное смещение» может быть опытно зарегистрировано [20, 21], что доказывает объективное существование указанного закона сохранения поляризации ЭМВ.

4. Область научного и практического значения

Научное значение заявляемого открытия заключается в том, что оно выражает единство взаимодействия атомно-молекулярной структуры вещества как с циркулярно поляризованными электромагнитными колебаниями (свето-магнитный эффект), так и с электрическими колебаниями (явление намагничивания вещества во вращающемся электрическом поле), электрический вектор которых вращается в плоскости, ортогональной вектору намагничивания вещества. Согласно уравнению Максвелла [27] для электромагнитного поля компоненты Е* и Н* поля связаны между собой соотношением вида

Однако указанная связь относится только к компонентам электромагнитного поля и не выражает связи полей Е = Е* в рассматриваемых эффектах с магнитным полем Н, вектор которого ортогонален плоскости, в которой вращаются соответствующие векторы Е или Е*. Существующие уравнения Максвелла не отображают такой связи, поскольку рассматриваемый класс эффектов является новым. В правой части указанного уравнения Максвелла магнитное поле Н* является переменной величиной, функцией времени (для циркулярно поляризованной волны вектор Н* изменяет свою величину и направление, оставаясь ортогональным вектору Е*, с которым лежит в одной плоскости, нормальной к волновому вектору).

При рассмотрении взаимодействия электромагнитного поля с веществом, в котором волновое поле распространяется, важно отметить, что за счёт циркуляции поляризации поля возникает намагничивание вещества, поэтому на нестационарный процесс такого намагничивания вещества, что соответственно изменяет его внутреннюю энергию в адиабатическом процессе взаимодействия, увеличивает её, происходит частичная потеря энергии той части энергии электромагнитной волны, которая расходуется на униполярное намагничивание вещества (постоянное во времени). Следовательно, для указанной части электромагнитной волны имеет место так называемое «красное смещение». После установления стационарного режима намагничивания вещества (при dH/dt > 0) «красное смещение» исчезает.

В таком процессе проявляется закономерность сохранения поляризации электромагнитной волны при её взаимодействии с веществом [20], которая является фундаментальным свойством материи, органически связанным с законом сохранения и превращения энергии.

Несмотря на единство результата действия циркулярно поляризованной волны и электрического колебания с вращающимся вектором напряжённости Е на вещество, выражающегося в намагничивании последнего, между указанными объектами действия имеются глубокие различия. Электромагнитные колебания и их квантовый аналог - фотоны распространяются в веществе с огромной скоростью с/n, не имеют массы покоя и не несут в себе электрического заряда, а электрические колебания создаются относительно медленным движением электронов, которые обладают массой покоя m и несут в себе заряды е. Так, в фидере передающей антенны протекает переменный электрический ток, а от антенны происходит излучение электромагнитных волн. Поток массовых заряженных электронов превращается в безмассовое не заряженное электромагнитное поле. Совпадают лишь величины энергий переменного тока (с учётом потерь) и электромагнитного поля, переносящего излучаемую полем энергию. Тем не менее, указанное выше единство результата действия инициирует поиск физического объяснения механизма формирования электромагнитного излучения.

Для циркулярно поляризованной волны с чисто круговой поляризацией модуль вектора ¦Е*остается во времени постоянным также, как это имеет место для вращающегося электрического поля ¦Е¦ = const, создаваемого синус-косинусным генератором в квадрупольном конденсаторе (рис.3 и 4), внутри которого находится изотропное вещество. Именно в силу постоянства во времени модулей указанных напряжённостей полей Е* и Е обеспечивается постоянство во времени возникающей в веществе напряжённости униполярного магнитного поля Н. Знак этого поля определяется направлением вращения векторов Е* и Е.

Научное значение заявляемого открытия также состоит в том, что ВЭДЭ создаёт перспективы экспериментального доказательства закона сохранения поляризации электромагнитных волн [18], поскольку при вращении внешнего электрического поля Е структура движения микрочастиц вещества, с которым взаимодействует электромагнитное поле, непрерывно изменяется, что поддерживает процесс возникновения «красного смещения» проходящей через вещество электромагнитной волны. «Красное смещение» регистрируется с помощью специальных устройств [20,21].

Подтверждённый экспериментально эффект «вращательного увлечения эфира» поляризации электромагнитной волны, первоначально заявленный автором в 1965 году [29] и рассмотренный в плане его аппаратурного обнаружения [22,23], расширяют наши представления о природе взаимодействия электромагнитных полей с динамическими состояниями среды, в частности, с турбулирующей средой, которая способна вызывать явление «красного смещения» для проходящих через неё электромагнитных волн и быть причиной возбуждения вторичных электромагнитных волн в более длинноволновом участке спектра. Здесь уместно отметить, что «красное смещение» электромагнитного излучения, которое мы наблюдаем из космического пространства, не обязательно связано с доплеровским смещением из-за разбегающихся Галактик, но оно также может иметь природу так называемого «старения фотонов», предсказанную Л. Бриллюэном в середине прошлого столетия [30].

При этом такое «старение фотонов» возникает из-за взаимодействия электромагнитных волн со средой с изменяющимися параметрами, которые изменяют поляризацию волн, то есть приводят к их «красному смещению».

Данное открытие позволяет дополнить и, главным образом, обобщить научные представления о природе электромагнетизма как одной из форм существования материи. Второе уравнение Максвелла не определяет сущность обсуждаемого явления, поскольку в нём рассматривается вихревое электрическое поле с замкнутыми электрическими силовыми линиями, а в рассматриваемом явлении использовано электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями, которое приводится во вращательное движение, вызывающее вращательное движение электрических диполей, увлекаемых полем. Данное явление не может также быть истолковано как возникновение намагничивания диэлектрика, аналогичное намагничиванию заряженного металлического тела (например, шара) при его вращении. В рассматриваемом явлении происходит вынужденное вращение электрических диполей атомов и молекул диэлектрика (в том числе обладающего ферромагнетизмом), при котором основной вклад в намагничивание вносят вращающиеся электроны диполей в плоскости вращения внешнего электрического поля, а противоположного знака магнитное поле от вращения положительных ядер атомов и молекул имеет малую по сравнению с магнитным полем вращающихся электронов величину.

Высказанное автором в 1964 году утверждение о существовании данного явления получило в дальнейшем прямое опытное подтверждение в экспериментах по действию на диэлектрическое вещество (стёкла, анизотропные прозрачные среды) электромагнитными волнами оптического спектра, имеющими циркулярную, в частности, круговую, поляризацию, вектор электрической компоненты которых, как известно, вращается в плоскости, ортогональной волновому вектору (или, что то же, вектору Пойнтинга), с частотой световых колебаний. Впоследствии (1965г.) этот эффект был назван Першаном как обратный эффект Фарадея в противоположность известному эффекту Фарадея, состоящему в повороте плоскости поляризации света в прозрачном веществе, помещённом в продольное постоянное магнитное поле вдоль оси распространения света в веществе.

Обратный эффект Фарадея был объяснён Першаном явлением оптической ориентации атомов, что по конечному результату эффекта совершенно аналогично тому, к чему независимо пришёл автор в его работе.

Известно также явление оптической ориентации парамагнитных атомов газа как ориентация в определённом направлении угловых моментов (механических и связанных с ними магнитных) атомов (или ионов) под действием поляризованного по кругу оптического излучения резонансной частоты. Открыто А. Кастлером в 1953 году. Это явление - есть частный случай оптической накачки - перевода вещества в неравновесное состояние в процессе поглощения им света. При оптической ориентации в отсутствие магнитного поля угловые моменты атомов ориентируются по или против направления луча ориентирующего света в зависимости от знака круговой поляризации света, а также от сочетания величин углового момента в основном и возбуждённом состояниях атома. Возникает суммарный макроскопический вектор ориентации. Величина оптической ориентации в простейшем случае двух уровней характеризуется отношением разности населённости уровней к их сумме. При наличии магнитного поля в системе сохраняется проекция вектора ориентации на направление вектора магнитной индукции.

Из указанного следует, что объяснения автора явления намагничивания любых диэлектриков во вращающихся электрических полях существенно отличаются от тех, которые проводились при исследованиях действия циркулярно поляризованного света на полупроводники или резонансно накачиваемое фотонами парамагнитное вещество. Во всех объяснениях явлений оптической ориентации используется квантово-механический аппарат в отношении частных специфических процессов.

В то же время с позиции волновой теории автором просто объяснён механизм намагничивания диэлектриков в поле циркулярно поляризованной волны света (или иного электромагнитного колебания, не резонансного со спектрами поглощения атомов вещества) и вообще любого вращающегося электрического поля достаточной амплитуды. Это представляет существенный, по мнению автора, вклад.

Практическое значение данного открытия - намагничивания вещества во вращающихся электрических полях - может найти при диагностике ферромагнитных диэлектриков по отклику «детектора» [17] на калиброванное возмущение при помещении в квадрупольный конденсатор (рис.3 и 4) образцов исследуемых веществ [18].

Кроме того, созданный на основе этого эффекта принципиально новый генерирующий прибор СВЧ диапазона [19] и его модификации [20,21] позволяют исследовать возникновение «красного смещения» возбуждающего анизотропные среды волнового поля в процессах нестационарного взаимодействия поляризованной электромагнитной волны (например, от одночастотного одномодового оптического квантового генератора непрерывного действия) с анизотропным веществом. Этот вопрос поставлен в рассматриваемой в МААНО заявке автора на предполагаемое открытие «Закон сохранения поляризации электромагнитных волн» [18].

Объяснение заявляемого явления с позиций волновой теории «реанимирует» сам метод исследования в познании явлений природы в противовес (или совместно) методу квантовой электродинамики, что также представляет чисто научный (методологический) интерес, поскольку нахождение простого объяснения там, где это возможно и допустимо, всегда желательно.

Таким образом, заявляемое открытие представляет как научный, так и практический интерес, поскольку расширяет область наших знаний о природе материи.

5. Формула открытия

Теоретически установлен ранее неизвестный вращательный электродинамический эффект, заключающийся в возникновении искусственной оптической активности в изотропных веществах при действии на них поперечного направлению распространения света вращающегося электрического поля и объясняемый теоретически и экспериментально установленным намагничиванием вещества под действием вращательной поляризации атомных и молекулярных электрических диполей, синхронно вращающихся с частотой вращения электрического поля с образованием амперовых токов в параллельных плоскостях, ортогональных вектору намагничивания.

Литература

1. Першан, Вандер-Циль, Мальмстрём, Обратный эффект Фарадея, доклад на IV Международной конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико, 28-30 июня 1965г., опубл. УФН, 88, № 1, 177, 1966 г.

2. О.Ф.Меньших, Светомагнитный эффект, Заявка на открытие № 32-ОТ-4540 от 30.06.1965г., Москва.

3. О.Ф.Меньших, Исследование оптических свойств веществ (кристаллов) на основе обратного эффекта Фарадея, доклад на Всесоюзном симпозиуме по спектроскопии, Новосибирский научный центр, 6.09.1966 г., Новосибирск.

4. О.Ф.Меньших, Явление намагничивания материалов во вращающихся электри-ческий полях, Заявка на открытие № 32-ОТ-3703 от 15.04.1964, Москва.

5. О.Ф.Меньших, Детектор амплитудно-модулированных колебаний, Патент РФ № 2287891, опубл.20.11.2006, бюлл.№ 32.

6. В.М. Агранович, В.Л.Гинзбург, Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов, 2 изд., М., 1979.

7. Л. Д.Ландау, E. M.Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., M., 1982.

8. Д. В.Сивухин, Общий курс физики, 2 изд , т.4, M., 1985.

9. Ю.И.Сиротин, M.П. Шаскольская, Основы кристаллофизики, 2 изд., M., 1979.

10. В.А.Кизель, Оптическая активность и дисимметрия живых систем, "УФН", 1980, т.131, с.209.

11. С.И.Вайнштейн, Я.Б.Зельдович, А.А. Рузмайкин, Турбулентное динамо в астрофизике, M., 1980.

12. Ф.И.Федоров, Теория оптической активности кристаллов, "УФН", 1972, т.108, вып.4, с.762.

13. О.Ф.Меньших, Явление намагничивания диэлектриков во вращающихся электрических полях, Заявка на открытие от 04.04.2005, МААНОИ, Москва.

14. А.А.Шишловский, Прикладная физическая оптика, М., 1961.

15. В.С.3апасский, Методы высокочувствительных поляриметрических измерений. (Обзор), "Журнал прикладной спектроскопии", 1982, т.37, вып.2, с.181.

16. О.Ф.Меньших, Устройство для измерения параметров диэлектриков, Авт.свид. СССР № 1371223, 1978.