彭立發(fā)

摘? 要：本文提供一種模型，可將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)無工質(zhì)推進(jìn)。一個(gè)電偶極子在電磁波電場的作用下做無規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)能把電偶極子正負(fù)電荷間距增加到電磁波的1/2波長，正負(fù)電荷在電磁波正反方向電場中會(huì)受到同方向的力，當(dāng)電磁波電場方向改變時(shí)，正負(fù)電荷同步改變位置，可以繼續(xù)產(chǎn)生同方向的力。將電偶極子換成金屬天線（球形電容），金屬天線饋入與電磁波頻率和初相位相同的高頻電壓，當(dāng)電磁波電場與金屬天線接觸時(shí)，電磁波電場對金屬天線表面電荷產(chǎn)生電場力，當(dāng)電磁波電場改變方向時(shí)，金屬天線表面正負(fù)電荷同步改變，相當(dāng)于共振，可以保證每個(gè)周期同步產(chǎn)生單方向推動(dòng)力?？梢宰C明本模型是電磁理論的推論。

關(guān)鍵詞：電磁波電場? 天線? 表面電荷? 單方向推動(dòng)力? 無工質(zhì)推進(jìn)? 能量轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：O442;V430? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（b）-0050-05

Study on the Driving Force Caused by Electric Field Component of Electromagnetic Wave to Electrified Body（New Model of Electromagnetic Propulsion）

PENG Lifa

（Beijing Melon Network Technology Co.， Ltd.， Beijing， 100068 China）

Abstract： This paper provides a model which can directly convert the energy of electromagnetic wave into kinetic energy and realize the propulsion without working medium. An electric dipole rotates irregularly under the action of electromagnetic wave electric field. Assuming that the distance between positive and negative charges of the electric dipole can be increased to 1 / 2 wavelength of the electromagnetic wave， the positive and negative charges will be forced in the same direction in the electric field in the positive and negative directions of the electromagnetic wave. When the electric field direction of the electromagnetic wave changes， the positive and negative charges change their positions synchronously， and the force in the same direction can continue to be generated. The electric dipole is replaced by a metal antenna （spherical capacitor）， and the metal antenna is fed with a high frequency voltage with the same frequency and initial phase as the electromagnetic wave. When the electromagnetic wave electric field contacts the metal antenna， the electromagnetic wave electric field generates an electric field force on the surface charge of the metal antenna. When the electromagnetic wave electric field changes direction， the positive and negative charges on the surface of the metal antenna change synchronously， which is equivalent to resonance， and can ensure the safety of each antenna Periodic synchronization produces unidirectional driving force. It can be proved that this model is the inference of electromagnetic theory.

Key Words： Electromagnetic wave electric field; Antenna; Surface charge; Single direction driving force; Propulsion without working fluid; Energy conversion

電磁波是一種不需要介質(zhì)的能量波，由能量守恒定律，電磁波可以轉(zhuǎn)換為其他能量，基本以熱能為主。如果想把電磁波的能量直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，目前還不能實(shí)現(xiàn)。英國的Shawyer在本世紀(jì)初研究了一種無工質(zhì)微波推進(jìn)裝置Emdrive[1]，這個(gè)裝置的理念就是將電磁波的能量直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。中國的楊涓等[2-4]，美國的Brady等[5]也對此進(jìn)行了系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本對應(yīng)著電磁波動(dòng)量表達(dá)式，但是他們并沒有闡述產(chǎn)生極微弱壓力的來源，不具有實(shí)際應(yīng)用的力學(xué)價(jià)值。另外太陽帆的原理是利用了光動(dòng)量作用或者說電磁波的輻射壓力。文獻(xiàn)[6-11]介紹了電磁波 推進(jìn)、光子推進(jìn)以及等離子體推進(jìn)的最新進(jìn)展，電磁波和光子推進(jìn)利用的仍然是動(dòng)量而不是能量，等離子體推進(jìn)仍然需要推進(jìn)介質(zhì)，并且推力十分有限。

電磁波在與介質(zhì)接觸時(shí)每個(gè)方向的場量都會(huì)產(chǎn)生力學(xué)效果，總體表現(xiàn)為熱力學(xué)過程，最后電磁能轉(zhuǎn)換為熱能?，F(xiàn)在換一種思路，將焦點(diǎn)聚焦到電磁波電場的振動(dòng)方向，只允許電場在一個(gè)方向振動(dòng)可以接觸到高電壓介質(zhì)，由于高電壓介質(zhì)表面有靜電荷，顯然高電壓介質(zhì)會(huì)受到電場力作用，從而能將電磁波電場能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，只要避開反方向電場，就能實(shí)現(xiàn)持續(xù)的單向作用力。此理論有類似的應(yīng)用，微波直線加速器的加速能量即是來源于微波的電場分量，另外在同步回旋加速器中，帶電粒子的回旋頻率與加速電場的頻率嚴(yán)格相等，他們能對帶電粒子持續(xù)加速顯然是利用了共振原理，巧妙地避開了反方向減速電場的作用。

1? 模型

由電動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)電磁波與金屬表面接觸時(shí)，金屬中的電子會(huì)在電磁波電場作用下產(chǎn)生高頻交變電流，交變電流會(huì)將電磁波反射出去。一個(gè)電偶極子在電磁波電場的作用下做無規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)殡娕紭O子的正負(fù)電荷同時(shí)受到相反方向的力，最后電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能。假設(shè)可以把電偶極子正負(fù)電荷的距離增加，與電磁波的1/2波長相同，正負(fù)電荷在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間恰當(dāng)?shù)奈恢梅謩e與電磁波正反方向的電場接觸，顯然會(huì)受到相同方向的力，當(dāng)電磁波電場方向改變時(shí)，正負(fù)電荷同步交換位置，可以繼續(xù)產(chǎn)生相同方向的力。圖1是電偶極子在電磁波電場中受力過程模型圖。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要將電偶極子換成金屬天線（球形電容極板），金屬天線的正負(fù)極之間的距離仍然與電磁波的1/2波長相同，金屬天線饋入高頻電壓，使金屬天線表面積累電荷，當(dāng)電磁波電場與金屬天線接觸時(shí)，電磁波電場可以對金屬天線表面電荷產(chǎn)生推動(dòng)力，由于金屬天線是球形，所以不會(huì)感應(yīng)出電流。當(dāng)電磁波電場改變方向時(shí)，金屬天線表面同步改變正負(fù)電荷的分布，這就需要金屬天線饋入的交變電壓頻率和初相位與電磁波的頻率和初相位相同，可以保證一個(gè)周期同步產(chǎn)生單方向推動(dòng)力。

為了敘述方便，只選擇金屬天線的一極作為討論對象。圖2～5給出了模型圖。在真空的自由空間，單色平面電磁波沿x軸傳播，電場和磁場分別沿y軸和z軸振動(dòng)，振幅、偏振方向、頻率都不變。圖2中一個(gè)球形金屬天線固定在一點(diǎn)，沿x軸和z軸不能移動(dòng)，但是可以沿y軸上下移動(dòng)，假設(shè)金屬天線沒有體積和質(zhì)量，只負(fù)責(zé)積累電荷，金屬天線可以饋入高頻電壓，忽略金屬天線和饋線中高頻電流和輻射，高頻電壓頻率與電磁波的頻率相同，使金屬天線表面可以帶有交替變換的正負(fù)電荷。當(dāng)電磁波波前沿x軸傳播到2π位置時(shí)，電磁波電場偏振方向?yàn)?y，此時(shí)金屬天線表面饋入負(fù)電荷，在2π-π的1/2周期內(nèi)都是如此，金屬天線的表面電荷將受到電磁波電場的作用而有一個(gè)沿+y方向的電場力，觀察圖3，當(dāng)電磁波傳播1/4周期，金屬天線對應(yīng)3π/2時(shí)，電場力達(dá)到最大值。繼續(xù)觀察圖4，當(dāng)電磁波傳播1/2周期，金屬天線對應(yīng)π點(diǎn)時(shí)，電磁波電場偏振方向改變?yōu)?y，此時(shí)金屬天線表面的負(fù)電荷也同時(shí)改變?yōu)檎姾?，并且在?0的1/2周期都是如此，我們?nèi)匀豢梢钥吹?，?y方向偏振的電場對金屬天線表面的正電荷也有沿+y方向電場力。繼續(xù)觀察圖5，當(dāng)電磁波傳播3/4周期，金屬天線對應(yīng)π/2時(shí)，電場力達(dá)到最大值，當(dāng)電磁波傳播一個(gè)周期后，金屬天線對應(yīng)于0點(diǎn)時(shí)，電磁波的電場方向和金屬天線的表面電荷同時(shí)改變，開始下一個(gè)周期。

下面建立電磁波電場與金屬天線表面電荷的受力關(guān)系。圖2的電磁波電場矢量表達(dá)式可以寫為

（1）

其中Ey是電磁波電場矢量，E0為電場最大幅值，κ是波矢，κ=2π/"λ" ， "λ" 是波長， ω是角頻率，ω=2π/T，T是周期，t是時(shí)間。由于金屬天線在x方向是固定的，忽略坐標(biāo)信息，那么式（1）可以改寫為

（2）

金屬天線表面電荷由高頻電路饋入，由于饋入高頻電壓的頻率與電磁波的頻率必須相同，可以肯定，天線表面正負(fù)電荷的密度變化也遵循正弦規(guī)律，以Q0表示電量最大幅值，表面電荷電量以Q表示

（3）

點(diǎn)電荷在均勻電場中所受的電場力為

（4）

由于電磁波的頻率和初相位與金屬天線表面電荷的變化一致，可以理解為電磁波電場固定于y軸做周期變化，將式（2）和式（3）帶入式（4）得到金屬天線在電磁波電場中每個(gè)時(shí)間段受力大小表達(dá)式

（5）

Fy的方向?yàn)?y，由式（5）可以看出，金屬天線在一個(gè)周期內(nèi)的0或2π點(diǎn)、π點(diǎn)受到的電場力為零，而在π/2點(diǎn)、3π/2點(diǎn)受到的電場力最強(qiáng)。有了電場力的表達(dá)式，可以計(jì)算出一個(gè)周期的電磁波電場對金屬天線產(chǎn)生的總沖量，用I表示

（6）

式（6）和平板電容的能量表達(dá)式很相似，可以把電磁波電場和金屬天線看作一個(gè)動(dòng)態(tài)的電容器，金屬天線是一極，電磁波電場為另一極，電磁波電場動(dòng)態(tài)的分布于整個(gè)波長空間，金屬天線的靜電場同樣虛擬的分布于整個(gè)波長空間。如果金屬天線質(zhì)量設(shè)為m，只要電場力足夠強(qiáng)，可以推動(dòng)金屬天線從原點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)移動(dòng)到達(dá)+y某一點(diǎn)，如果速度為vy，那么金屬天線的動(dòng)量為

（7）

2? 實(shí)驗(yàn)方案建議

實(shí)驗(yàn)建議如圖6所示。圖6（a）是結(jié)構(gòu)圖，為了使實(shí)驗(yàn)精度更高，所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器應(yīng)遠(yuǎn)離導(dǎo)體。左側(cè)是高增益偶極天線輻射系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)位置和方向，輻射電磁波的波長為 "λ" ，頻率為f。右側(cè)是一套特殊的接收天線系統(tǒng)，可以稱為動(dòng)能天線，負(fù)責(zé)將電磁波能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。為了減少動(dòng)能天線的輻射，將天線的長短縮短，變成球形天線1和2，可以限制電流產(chǎn)生輻射，球形天線1和2之間距離為"λ" / 2。高頻交變電源負(fù)責(zé)向球形天線饋入電壓，高頻交變電源的頻率和初相位與偶極天線輻射的電磁波相同。圖6（b）是電磁波與球形天線在前1/2周期相互作用的過程，圖6（c）是后1/2周期的相互作用過程，細(xì)箭頭E是電磁波電場方向，粗箭頭F是球形天線的受力方向，可以看出，兩個(gè)球形天線在一個(gè)周期內(nèi)受力方向相同。由于高頻交變電源和饋線會(huì)產(chǎn)生分布電容，電磁波會(huì)與分布電容發(fā)生相互作用，可以通過調(diào)節(jié)輻射主波瓣方向避開電源和饋線，可以將相互作用降低到最小。

只要選擇合理的參數(shù)，可以有其他方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如利用駐波、反射波等。要實(shí)現(xiàn)電磁波轉(zhuǎn)換動(dòng)能需滿足一些參數(shù)要求：一是電磁波頻率與動(dòng)能天線饋入電壓的頻率相等，為了降低動(dòng)能天線的電磁輻射，可以降低動(dòng)能天線饋入電壓的頻率，但必須降低整數(shù)倍;二是初相位需要二者具有固定相位差nπ，n等于偶數(shù);三是動(dòng)能天線正負(fù)極之間的距離需要等于電磁波1/2波長的奇數(shù)倍?？梢钥闯?，電磁波轉(zhuǎn)換動(dòng)能的過程和電磁波（光）的干涉原理幾乎完全一致。

3? 動(dòng)量守恒定律與牛頓第三定律

如果以上的分析都能成立，那么將得到一個(gè)很有重要的結(jié)果，能量雖然守恒，但是動(dòng)量將不在守恒。由牛頓第三定律

（8）

將式（5）帶入式（8）可得金屬天線的反作用力

（9）

將上式對時(shí)間積分后與式（6）比較可以得到

（10）

將上式與式（7）比較可得

（11）

電磁波電場在一個(gè)周期內(nèi)雖然有正負(fù)兩個(gè)方向，但是兩個(gè)方向與金屬天線的作用力都是沿+y方向。由模型圖可以看出，金屬天線并不存在相反方向的力和沖量，式（8）和式（11）并不成立，由此可得

（12）

進(jìn)一步可以推出式（8）的牛頓第三定律的力與反作用力并不相等

（13）

由式（7）可以看出，等號(hào)左側(cè)由電磁波提供的沖量，并不包含質(zhì)量項(xiàng)，所以，由電磁波和金屬天線組成的系統(tǒng)，在沒有外力的作用下，系統(tǒng)仍然有動(dòng)量的變化，顯然動(dòng)量并不守恒。

4? 結(jié)語

通過以上分析和論證，電磁波電場對金屬天線產(chǎn)生推動(dòng)力是必然的，電磁波輻射能量直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能更是確定的，并且可以看出電磁波電場具有動(dòng)力學(xué)特征是基于現(xiàn)有電動(dòng)力學(xué)的推論，邏輯上也是自洽的。

最后希望實(shí)驗(yàn)科學(xué)工作者通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論的可行性。

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