УДК 538.31:621.3

Бранспиз Ю.А.

О проблеме физических основ теоретической электротехники

Показано, что умаление роли физических основ в теоретической электротехнике как технической науке было до последнего времени объективным процессом. Показана также недостаточность для практического применения известных представлений об электромагнитных явлениях в конкретных электротехнических устройствах. Предлагается строить физические основы электротехники, применяя современные методы описания микроскопического магнитного поля.

Введение. Теоретическое осмысление электротехники появилось вместе с самой электротехникой еще в середине XIX века. Причем это осмысление сразу пошло по двум основным направлениям:

- осмысление физических основ электротехники (для максимально эффективного использования тех физических явлений электромагнетизма, которые полагались в основу функционального действия соответствующих электротехнических устройств);

- разработка практических методик расчета электротехнических устройств на основе расчетов электромагнитных явлений в них, удовлетворяющих определенным требованиям точности.

Ясно, что при этом характер и содержание первого направления изменялись с развитием физики электромагнетизма. Но всегда присутствовало стремление на понимание физической сути (сущности) того или иного используемого в конкретном электротехническом устройстве явления (проявления) электромагнетизма. В качестве примера можно привести объяснение физической сути электродинамического взаимодействия двух прямолинейных проводников с токами – ситуация, часто встречающаяся в электротехнике. Первое объяснение (старинное) основывается на использовании силовых линий поля вокруг проводников с током и их взаимном сложении или вычитании. Второе объяснение (современное) основывается на рассмотрении взаимодействия потоков электронов в проводниках (см., например, соответствующий материал в [1])

Это стремление к уяснению физической сути явлений декларируется и в современной теоретической электротехнике. Так, в Предисловии к последнему изданию известного учебника по теоретическим основам электротехники под редакцией академика Демирчяна К.С. указывается:«…. первоначальная ориентация курса на первичность понимания особенностей электромагнитных процессов в рассматриваемом конкретном устройстве над формально расчетными методами приобретает все более важное значение» [2].

В этой связи отметим, что, согласно приведенному тексту:

- с одной стороны, «первичность понимания» была первоначальной ориентацией и должна, следовательно, уже быть в теоретической электротехнике;

- с другой же стороны, эта «первичность» все еще должна приобретать, иначе говоря, доказывать, свое «важное значение», по сравнению с «формально расчетными методами».

То есть имеет место явное несоответствие, которое обусловлено тем, что декларируемая «первичность понимания» только и декларируется, а реальное положение дел заключается в приоритете второго пути в теоретическом осмыслении электротехники.

В самом деле, констатируя, что вначале была первоначальная ориентация на первичность понимания (на что указывается и в [2]), следует признать, что затем эта ориентация была потеряна. И это наглядно проявляется в том, что если ранее в курсах теоретических основ электротехники присутствовал значительный по объему раздел физических основ электротехники (см., например, [3, 4]), то в современных курсах теоретической электротехники (см., например, [1, 5]) ориентация на изложение именно физических основ электротехники, а не сводки законов физики электромагнетизма, утеряна.

Это может рассматриваться как проблема физических основ теоретической электротехники, которая обуславливает определенные трудности и в преподавании и в практическом применении результатов теоретической электротехники как технической науки. Уяснение некоторых особенностей этой проблемы и является целью данной работы.

1. Объективность проблемы (первый гносеологический аспект). Потеря ориентации на изложение именно физических основ электротехники в современных курсах основ теоретической электротехники произошла, конечно, не сразу.

Это косвенно признается и в [1], когда отмечается, что: «Развитие возможностей ЭВМ и их программного обеспечения в настоящее время и в перспективе таковы, что изучение расчетных методов для их освоения и развития перестает быть приоритетным». Значит, все-таки развитие именно расчетных методов было до этого приоритетным; значит, все-таки имеется необходимость приобретать (доказывать) значение первичности понимания (в указанном выше смысле).

При этом проблема, повторимся, заключается в том, что сами физические основы собственно изъяты из теоретических основ электротехники.

Так, в [1] оставлен лишь первый вводный раздел «Основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей», много меньший других разделов. Здесь отметим характерное объединение теории электромагнитного поля и теории цепей. Характерное, потому что оно отражает общую тенденцию в теоретической электротехнике рассмотрения и исследования преимущественно электрических цепей (в последнее время – электронных цепей), к которым сводятся, например, даже задачи расчета электромагнитов (метод эквивалентных схем замещения). Эта тенденция проявляется, в частности, в том, что практически во всех курсах теоретической электротехники изложение теории линейных электрических цепей составляет наибольшую по объему часть. Именно эта тенденция и позволила утверждать профессору Нетушилу А.В. о том, что современная теоретическая электротехника находится в состоянии оцепенения [6].

Профессор Нетушил А.В. наряду с утверждением об оцепенении теоретической электротехники утверждал также и об обессиливании ее, имея в виду отсутствие в ней интереса к рассмотрению вопросов преобразования энергии в электротехнических устройствах и сопутствующих такому преобразованию силовых взаимодействий элементов этих устройств [6].

Но все дело в том, что указанные оцепенение и обессиливание теоретической электротехники не являются просто чьей-то «злой волей», а объективно обусловлены:

во-первых, характером развития теоретической электротехники как технической науки;

во-вторых, характером того знания о проявлениях электромагнитного поля, которое дает нам современная физика.

Что касается указанного «во-первых», то развитие теоретической электротехники именно как технической науки ставит перед ней одну из основных задач всех технических наук – создание полезных (практически применимых) моделей явлений в соответствующих технических устройствах [7, 8]. Поэтому в теоретической электротехнике достаточно давно возникли способы описания конкретных проводов и катушек с током, конкретных систем заряженных тел на основе использования таких понятий, как сопротивление, индуктивность, емкость, представляющие собой идеальные (теоретические) объекты с сосредоточенными параметрами, которые позволяют обобщенно (интегрально) описать реальные электромагнитные процессы в соответствующих объектах, являющиеся проявлениями электромагнитного поля. Практическое удобство применения этих понятий привело к разработке достаточно развитой теории цепей, которая и предлагается в настоящее время как основной инструмент рассмотрения различных электрических и магнитных явлений в различных электротехнических устройствах. При этом достаточным является простое знание о тех идеализациях реальных объектов, которые дали указанные понятия. Как следствие, на таком понимании теоретическая электротехника и оцепеневает (ясно, что в этом случае физические основы электротехники являются излишними).

Кроме того, если теоретическая электротехника и рассматривает какие-то электромагнитные процессы вне теории цепей, то это делается на основе системы уравнений электромагнитного поля (уравнения Максвелла), которые в этом случае могут рассматриваться как исходная система некоторых аксиом поля. Как следствие, любые построения теоретической электротехники являются в этом случае дедуктивными (из общего – уравнений Максвелла, ищутся частные решения этих уравнений). Такой дедуктивный характер теоретической электротехники не делает ее ближе к физике (к физическим основам ее), являющейся наукой преимущественно индуктивной [8].

Таким образом, указанное обессиливание и оцепенение теоретической электротехники является объективно обусловленным, приводя, как следствие, к возникновению и рассматриваемой проблемы. Такая объективная обусловленность рассматриваемой проблемы развитием теоретической электротехники как технической науки может быть названа гносеологическим аспектом объективности этой проблемы. Конечно, недостаточно просто указать на этот аспект. Требуется его подробный анализ, который требует соответствующих исследований. Здесь лишь отметим, что основу этих исследований может составить анализ теоретического знания, приведенный в [9].

Что же касается указанной выше объективной обусловленности обессиливания и оцепенения теоретической электротехники характером имеющихся современных физических знаний об электромагнитных явлениях, то несмотря на всю глубину и обширность этих знаний, их можно определить понятием «недостаточность для практического применения». Эта недостаточность также имеет определенный гносеологически аспект, который рассматривается далее более подробно.

В качестве же примеров такой недостаточности, чтобы не быть голословными, укажем на принцип действия двигателя постоянного тока и объяснения явления электромагнитной индукции. Современная физика по сути принципа действия двигателя постоянного тока дает следующее: рассматривается сила на проводник с током в магнитном поле в ситуации (см., например, [10]), которая практически в двигателях не встречается, поскольку в реальных двигателях проводники с током размещаются в пазах, в которых индукция магнитного поля равна нулю. Что же касается явления электромагнитной индукции, то современная физика, указывая на универсальный характер этого явления (проявляется в форме записи соответствующего закона, не зависящего от способа изменения магнитного потока), объясняет его лишь через силу Лоренца на электроны проводимости в проводниках контура, что не объясняет возникновение ЭДС индукции, когда, например, поток через контур изменяется в некоторой локальной зоне, которая не содержит проводников контура.

2. Второй гносеологический аспект проблемы – микроскопическая основа макроскопического электромагнитного поля. Недостаточность современных физических представлений об электромагнитных явлениях можно усмотреть, прежде всего, в той проблеме расчета силового воздействия постоянного магнитного поля на вещества с магнитными свойствами, которая возникает в теоретической электротехнике ввиду существенных различий, имеющих место для тех расчетных выражений, которые предлагает нам физика [11]. Конечно, с точки зрения сути указанного силового воздействия, на качественном уровне имеется общепризнанная позиция, заключающаяся в том, что это силовое воздействие есть результат силового воздействия магнитного поля на структурные составляющие вещества. Различия проявляются, условно говоря, на количественном уровне. Например, согласно электронной теории строения вещества Лоренца, силовое действие магнитного поля на любое вещество, в том числе и магнитное, определяется как суммарный эффект действия электромагнитного поля на движущиеся заряженные составляющие вещества (микроскопические токи).

Собственно, так и рекомендуется поступать при определении силового воздействия постоянного магнитного поля на вещества с магнитными свойствами в [12]. Но при последовательном проведении способа Лоренца в рассмотрение надо принимать микроскопический характер структурных составляющих вещества и соответствующих их движениям токов, а также микроскопический характер действующего на эти токи электромагнитного поля. Но именно при таком последовательном использовании микроскопического подхода разными исследователями были получены существенно различающиеся результаты (неочевидная эквивалентность этих различных результатов показана автором в [11]).

Здесь, не касаясь причин указанных различий, отметим лишь тенденцию современной физики, ее преимущественную направленность на «микроскопическое», которая обусловлена:

- и тем, что уровень «микроскопичности» позволяет найти соответствующую основу для истолкования разных явлений (например, объяснение существования магнитных веществ с разными типами магнитного порядка с помощью решеток Нееля);

- и тем, что именно на этом уровне «микроскопичности» были экспериментально обнаружены многие микроскопические магнитные явления, которые потребовали своего, соответственно тоже микроскопического, истолкования.

Что же касается причин отмеченных различий в расчете силового воздействия постоянного магнитного поля на вещества с магнитными свойствами, то она кроется, прежде всего, в различии предлагаемых современной физикой способов аналитического описания микроскопического электромагнитного поля (сводку соответствующих уравнений см. в [13]). Но ведь именно усреднение микроскопического электромагнитного поля (усреднение величин, которыми оно характеризуется) дает макроскопическое электромагнитное поле, которое, собственно, и является объектом рассмотрения в теоретической электротехнике. При этом не является очевидным, что соответствующее усреднение даст одинаковый результат для макроскопического электромагнитного поля.

Поэтому, хотя микроскопический подход и не вызывает, вроде бы, сомнений как основа для описания электромагнитного поля на макроскопическом уровне, но разногласия и трудности по поводу аналитического описания микроскопического магнитного поля обуславливают то, что такое описание осуществляется лишь в статистической физике (см., например, [14]). Причем, как на это указано в [15], соответствующее описание не является однозначным по своим результатам. Тем не менее именно эти результаты после соответствующей адаптации их применительно к техническим задачам, могут составить физические основы современной электротехники, аналогично тому, как физика микроскопических явлений составляла физические основы электротехники в прошлом. Это, впрочем, требует привлечения к указанной адаптации специалистов-физиков (собственно, к этому, с позиции повышения общего уровня образованности электротехников, призывал и профессор Нетушил А.В. в [17]), которые владеют соответствующими результатами, что возможно, например, осуществить как разработку соответствующих прикладных разделов физики.

В подтверждение этого укажем, что в последнее время на страницах различных электротехнических журналов появились публикации, в которых их авторы ставят перед собой задачу выяснения сути тех или иных явлений электромагнетизма в различных электротехнических устройствах. Но, например, в дискуссии на страницах журнала «Электричество» по поводу сущности явлений электромагнетизма все свелось, по сути, к отказу от современных представлений, известных в физике, с возвратом к представлениям об электромагнитном поле, основанным на введении в рассмотрение силовых линий (см., например, [16]). Это и понятно, поскольку понятие силовых линий показало свою эффективность во многих случаях как полезная практическая модель. Но если идти не от феномена, а стремиться к сущностному пониманию электромагнитных явлений, что, собственно, и требуется при разработке новых электротехнических устройств, то такой модельный подход является недостаточным (потому и появляются в последнее время публикации по описанию сути электромагнитных явлений в электротехнических устройствах).

В этой ситуации важными являются как раз знания, накопленные физикой, которая должна обратить внимание на остающуюся насущной необходимость обоснования макроскопических явлений электромагнитного поля на основе микроскопического подхода. Иначе умаление роли физических основ электротехники объективно мотивированное, как указано выше, на предыдущем этапе ее развития, станет тормозом для дальнейшего развития и теоретической электротехники (технической науки) и самой электротехники.

В заключение следует отметить, что указанная выше недостаточность существующих физических представлений об электромагнитных явлениях предполагается a priori относительно легко преодолимой именно со стороны физиков-специалистов, к которым и обращена данная работа (эта априорность неявно предполагается и в [17]).

Выводы

1. Объективные условия развития теоретической электротехники как технической науки, направленность этого развития на создание практически полезных моделей, обеспечивающих инженерные расчеты электротехнических устройств с достаточной точностью, способствовали уменьшению роли физических основ в теоретической электротехнике, что привело в итоге к преимущественному развитию теории цепей.

2. Одной из причин, способствовавших уменьшению роли физических основ в теоретической электротехнике, является недостаточность того обоснования и описания проявлений электромагнетизма в конкретных электротехнических устройствах, которые дает физика.

3. В настоящее время в связи с актуальностью вопросов преобразования энергии в электротехнических устройствах и силовых взаимодействий элементов этих устройств, возникла необходимость сущностного рассмотрения соответствующих проявлений электромагнитного поля, что требует развития физических основ электротехники на новом современном уровне, который может быть обеспечен при использовании имеющихся в физике результатов по описанию электромагнитных явлений на микроскопическом уровне.

Литература

1. Парселл Э. Электричество и магнетизм: Берклеевский курс физики, Т.2.– М.: Наука, 1975.– 440 с.

2. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Т. 1 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин.– Спб.: Питер, 2003.– 463 с.

3. Круг К.А. Основы электротехники: В 2-х т. Т.1. Физические основы электротехники.– М.-Л.: Госэнергоиздат, 1946.– 472 с.

4. Поливанов К.М. Теория электромагнитного поля.– М.: Энергия, 1975.– 208 с.– (Теоретические основы электротехники. В 3-х т./ Под общ. ред. К.М. Поливанова.– Т.3).

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле.– М.: Высш. шк., 1978.– 231 с.

6. Нетушил А.В. Фарадей и проблемы современной теоретической электротехники // Электричество.– 1992.– №4.– С. 1-4.

7. Горохов В.Г., Розин В.М. Введение в философию техники.– М.: Инфра-М, 1998.– 224 с.

8. Канке В.А. Основные философские направления и концепции науки.– М.: Логос, 2004.– 328 с.

9. Степин В.С. Теоретическое знание.– М.: Прогресс-Традиция, 2003.– 744 с.

10. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Вып. 6. Электродинамика.– М.: Мир, 1977.– 347 с.

11. Бранспиз Ю.А. Электромагнитные (пондеромоторные) силы постоянного магнитного поля (основы теории и практики расчета): Дис. … д.т.н.– Луганск, 2003.– 416 с.

12. Физический энциклопедический словарь.– М.: Советская энциклопедия, 1983.– 928 с.

13. Бранспиз Ю.А. О моделировании взаимодействия магнитного поля и вещества на микроскопическом уровне // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.– 2005.– №7(89).– С. 19-26.

14. Ахиезер А.И., Пелетминский С.В. Методы статистической физики.– М.: Наука, 1977.– 368 с.

15 Макаров В.П., Рухадзе А.А., Самохин А.А. Волны с отрицательной групповой скоростью. Условия существования в изотропной среде// Український фізичний журнал .– 2005.– Т. 50.– №8а.– С. 159-169.

16. Гандилян С.В., Иванян М.И., Гандилян У.В. Эволюция физических основ электротехники и электродинамики// Электричество.– 1992.– №9.– С. 52-56.

17. Нетушил А.В. О двух позициях в изложении физических основ электротехники // Электричество.– 1993.– №5.– С.40-44.