電磁波電場對金屬表面交變電荷產(chǎn)生的單向推動力（一種無工質(zhì)電磁推進模型）

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)化為動能，實現(xiàn)無工質(zhì)推進。一個電偶極子在電磁波電場的作用下做無規(guī)則旋轉(zhuǎn)運動，假設(shè)能把電偶極子正負電荷間距增加到電磁波的1/2波長，正負電荷在電磁波正反方向電場中會受到同方向的力，當電磁波電場方向改變時，正負電荷同步改變位置，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，當電磁波電場與金屬天線接觸時，電磁波電場對金屬天線表面電荷產(chǎn)生電場力，當電磁波電場改變方向時，金屬天線表面正負電荷同步改變，相當于共振，可以保證每個周期同步產(chǎn)生單方向推動力。可以證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? 單方向推動力? 無工質(zhì)推進? 能量轉(zhuǎn)換

中圖分類號：O442;V430? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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)換為動能，目前還不能實現(xiàn)。英國的Shawyer在本世紀初研究了一種無工質(zhì)微波推進裝置Emdrive[1]，這個裝置的理念就是將電磁波的能量直接轉(zhuǎn)換為動能。中國的楊涓等[2-4]，美國的Brady等[5]也對此進行了系統(tǒng)研究，實驗數(shù)據(jù)基本對應著電磁波動量表達式，但是他們并沒有闡述產(chǎn)生極微弱壓力的來源，不具有實際應用的力學價值。另外太陽帆的原理是利用了光動量作用或者說電磁波的輻射壓力。文獻[6-11]介紹了電磁波 推進、光子推進以及等離子體推進的最新進展，電磁波和光子推進利用的仍然是動量而不是能量，等離子體推進仍然需要推進介質(zhì)，并且推力十分有限。

電磁波在與介質(zhì)接觸時每個方向的場量都會產(chǎn)生力學效果，總體表現(xiàn)為熱力學過程，最后電磁能轉(zhuǎn)換為熱能。現(xiàn)在換一種思路，將焦點聚焦到電磁波電場的振動方向，只允許電場在一個方向振動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)會受到電場力作用，從而能將電磁波電場能量轉(zhuǎn)換為動能，只要避開反方向電場，就能實現(xiàn)持續(xù)的單向作用力。此理論有類似的應用，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

由電動力學可知，當電磁波與金屬表面接觸時，金屬中的電子會在電磁波電場作用下產(chǎn)生高頻交變電流，交變電流會將電磁波反射出去。一個電偶極子在電磁波電場的作用下做無規(guī)則旋轉(zhuǎn)運動，因為電偶極子的正負電荷同時受到相反方向的力，最后電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能。假設(shè)可以把電偶極子正負電荷的距離增加，與電磁波的1/2波長相同，正負電荷在恰當?shù)臅r間恰當?shù)奈恢梅謩e與電磁波正反方向的電場接觸，顯然會受到相同方向的力，當電磁波電場方向改變時，正負電荷同步交換位置，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，當電磁波電場與金屬天線接觸時，電磁波電場可以對金屬天線表面電荷產(chǎn)生推動力，由于金屬天線是球形，所以不會感應出電流。當電磁波電場改變方向時，金屬天線表面同步改變正負電荷的分布，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，可以保證一個周期同步產(chǎn)生單方向推動力。

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，振幅、偏振方向、頻率都不變。圖2中一個球形金屬天線固定在一點，沿x軸和z軸不能移動，但是可以沿y軸上下移動，假設(shè)金屬天線沒有體積和質(zhì)量，只負責積累電荷，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電荷。當電磁波波前沿x軸傳播到2π位置時，電磁波電場偏振方向為-y，此時金屬天線表面饋入負電荷，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沿+y方向的電場力，觀察圖3，當電磁波傳播1/4周期，金屬天線對應3π/2時，電場力達到最大值。繼續(xù)觀察圖4，當電磁波傳播1/2周期，金屬天線對應π點時，電磁波電場偏振方向改變?yōu)?y，此時金屬天線表面的負電荷也同時改變?yōu)檎姾桑⑶以讦?0的1/2周期都是如此，我們?nèi)匀豢梢钥吹剑?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，當電磁波傳播3/4周期，金屬天線對應π/2時，電場力達到最大值，當電磁波傳播一個周期后，金屬天線對應于0點時，電磁波的電場方向和金屬天線的表面電荷同時改變，開始下一個周期。

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是時間。由于金屬天線在x方向是固定的，忽略坐標信息，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時間段受力大小表達式

（5）

Fy的方向為+y，由式（5）可以看出，金屬天線在一個周期內(nèi)的0或2π點、π點受到的電場力為零，而在π/2點、3π/2點受到的電場力最強。有了電場力的表達式，可以計算出一個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式很相似，可以把電磁波電場和金屬天線看作一個動態(tài)的電容器，金屬天線是一極，電磁波電場為另一極，電磁波電場動態(tài)的分布于整個波長空間，金屬天線的靜電場同樣虛擬的分布于整個波長空間。如果金屬天線質(zhì)量設(shè)為m，只要電場力足夠強，可以推動金屬天線從原點靜止狀態(tài)移動到達+y某一點，如果速度為vy，那么金屬天線的動量為

（7）

2? 實驗方案建議

實驗建議如圖6所示。圖6（a）是結(jié)構(gòu)圖，為了使實驗精度更高，所有的實驗設(shè)備和儀器應遠離導體。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)，可以稱為動能天線，負責將電磁波能量轉(zhuǎn)換為動能。為了減少動能天線的輻射，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。高頻交變電源負責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，兩個球形天線在一個周期內(nèi)受力方向相同。由于高頻交變電源和饋線會產(chǎn)生分布電容，電磁波會與分布電容發(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)，可以有其他方法進行實驗，比如利用駐波、反射波等。要實現(xiàn)電磁波轉(zhuǎn)換動能需滿足一些參數(shù)要求：一是電磁波頻率與動能天線饋入電壓的頻率相等，為了降低動能天線的電磁輻射，可以降低動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);三是動能天線正負極之間的距離需要等于電磁波1/2波長的奇數(shù)倍。可以看出，電磁波轉(zhuǎn)換動能的過程和電磁波（光）的干涉原理幾乎完全一致。

3? 動量守恒定律與牛頓第三定律

如果以上的分析都能成立，那么將得到一個很有重要的結(jié)果，能量雖然守恒，但是動量將不在守恒。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）

電磁波電場在一個周期內(nèi)雖然有正負兩個方向，但是兩個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，等號左側(cè)由電磁波提供的沖量，并不包含質(zhì)量項，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)仍然有動量的變化，顯然動量并不守恒。

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)生推動力是必然的，電磁波輻射能量直接轉(zhuǎn)換為動能更是確定的，并且可以看出電磁波電場具有動力學特征是基于現(xiàn)有電動力學的推論，邏輯上也是自洽的。

最后希望實驗科學工作者通過實驗來驗證理論的可行性。

參考文獻

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