电磁波电场对金属表面交变电荷产生的单向推动力（一种无工质电磁推进模型）

彭立发

摘  要：本文提供一種模型，可将电磁波能量直接转化为动能，实现无工质推进。一个电偶极子在电磁波电场的作用下做无规则旋转运动，假设能把电偶极子正负电荷间距增加到电磁波的1/2波长，正负电荷在电磁波正反方向电场中会受到同方向的力，当电磁波电场方向改变时，正负电荷同步改变位置，可以继续产生同方向的力。将电偶极子换成金属天线（球形电容），金属天线馈入与电磁波频率和初相位相同的高频电压，当电磁波电场与金属天线接触时，电磁波电场对金属天线表面电荷产生电场力，当电磁波电场改变方向时，金属天线表面正负电荷同步改变，相当于共振，可以保证每个周期同步产生单方向推动力。可以证明本模型是电磁理论的推论。

关键词：电磁波电场  天线  表面电荷  单方向推动力  无工质推进  能量转换

中图分类号：O442;V430                    文献标识码：A                    文章编号：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

电磁波是一种不需要介质的能量波，由能量守恒定律，电磁波可以转换为其他能量，基本以热能为主。如果想把电磁波的能量直接转换为动能，目前还不能实现。英国的Shawyer在本世纪初研究了一种无工质微波推进装置Emdrive[1]，这个装置的理念就是将电磁波的能量直接转换为动能。中国的杨涓等[2-4]，美国的Brady等[5]也对此进行了系统研究，实验数据基本对应着电磁波动量表达式，但是他们并没有阐述产生极微弱压力的来源，不具有实际应用的力学价值。另外太阳帆的原理是利用了光动量作用或者说电磁波的辐射压力。文献[6-11]介绍了电磁波 推进、光子推进以及等离子体推进的最新进展，电磁波和光子推进利用的仍然是动量而不是能量，等离子体推进仍然需要推进介质，并且推力十分有限。

电磁波在与介质接触时每个方向的场量都会产生力学效果，总体表现为热力学过程，最后电磁能转换为热能。现在换一种思路，将焦点聚焦到电磁波电场的振动方向，只允许电场在一个方向振动可以接触到高电压介质，由于高电压介质表面有静电荷，显然高电压介质会受到电场力作用，从而能将电磁波电场能量转换为动能，只要避开反方向电场，就能实现持续的单向作用力。此理论有类似的应用，微波直线加速器的加速能量即是来源于微波的电场分量，另外在同步回旋加速器中，带电粒子的回旋频率与加速电场的频率严格相等，他们能对带电粒子持续加速显然是利用了共振原理，巧妙地避开了反方向减速电场的作用。

1  模型

由电动力学可知，当电磁波与金属表面接触时，金属中的电子会在电磁波电场作用下产生高频交变电流，交变电流会将电磁波反射出去。一个电偶极子在电磁波电场的作用下做无规则旋转运动，因为电偶极子的正负电荷同时受到相反方向的力，最后电磁能量转换为热能。假设可以把电偶极子正负电荷的距离增加，与电磁波的1/2波长相同，正负电荷在恰当的时间恰当的位置分别与电磁波正反方向的电场接触，显然会受到相同方向的力，当电磁波电场方向改变时，正负电荷同步交换位置，可以继续产生相同方向的力。图1是电偶极子在电磁波电场中受力过程模型图。

为了实现上述功能，需要将电偶极子换成金属天线（球形电容极板），金属天线的正负极之间的距离仍然与电磁波的1/2波长相同，金属天线馈入高频电压，使金属天线表面积累电荷，当电磁波电场与金属天线接触时，电磁波电场可以对金属天线表面电荷产生推动力，由于金属天线是球形，所以不会感应出电流。当电磁波电场改变方向时，金属天线表面同步改变正负电荷的分布，这就需要金属天线馈入的交变电压频率和初相位与电磁波的频率和初相位相同，可以保证一个周期同步产生单方向推动力。

为了叙述方便，只选择金属天线的一极作为讨论对象。图2～5给出了模型图。在真空的自由空间，单色平面电磁波沿x轴传播，电场和磁场分别沿y轴和z轴振动，振幅、偏振方向、频率都不变。图2中一个球形金属天线固定在一点，沿x轴和z轴不能移动，但是可以沿y轴上下移动，假设金属天线没有体积和质量，只负责积累电荷，金属天线可以馈入高频电压，忽略金属天线和馈线中高频电流和辐射，高频电压频率与电磁波的频率相同，使金属天线表面可以带有交替变换的正负电荷。当电磁波波前沿x轴传播到2π位置时，电磁波电场偏振方向为-y，此时金属天线表面馈入负电荷，在2π-π的1/2周期内都是如此，金属天线的表面电荷将受到电磁波电场的作用而有一个沿+y方向的电场力，观察图3，当电磁波传播1/4周期，金属天线对应3π/2时，电场力达到最大值。继续观察图4，当电磁波传播1/2周期，金属天线对应π点时，电磁波电场偏振方向改变为+y，此时金属天线表面的负电荷也同时改变为正电荷，并且在π-0的1/2周期都是如此，我们仍然可以看到，沿+y方向偏振的电场对金属天线表面的正电荷也有沿+y方向电场力。继续观察图5，当电磁波传播3/4周期，金属天线对应π/2时，电场力达到最大值，当电磁波传播一个周期后，金属天线对应于0点时，电磁波的电场方向和金属天线的表面电荷同时改变，开始下一个周期。

下面建立电磁波电场与金属天线表面电荷的受力关系。图2的电磁波电场矢量表达式可以写为

（1）

其中Ey是电磁波电场矢量，E0为电场最大幅值，κ是波矢，κ=2π/"λ" ， "λ" 是波长， ω是角频率，ω=2π/T，T是周期，t是时间。由于金属天线在x方向是固定的，忽略坐标信息，那么式（1）可以改写为

（2）

金属天线表面电荷由高频电路馈入，由于馈入高频电压的频率与电磁波的频率必须相同，可以肯定，天线表面正负电荷的密度变化也遵循正弦规律，以Q0表示电量最大幅值，表面电荷电量以Q表示

（3）

点电荷在均匀电场中所受的电场力为

（4）

由于电磁波的频率和初相位与金属天线表面电荷的变化一致，可以理解为电磁波电场固定于y轴做周期变化，将式（2）和式（3）带入式（4）得到金属天线在电磁波电场中每个时间段受力大小表达式

（5）

Fy的方向为+y，由式（5）可以看出，金属天线在一个周期内的0或2π点、π点受到的电场力为零，而在π/2点、3π/2点受到的电场力最强。有了电场力的表达式，可以计算出一个周期的电磁波电场对金属天线产生的总冲量，用I表示

（6）

式（6）和平板电容的能量表达式很相似，可以把电磁波电场和金属天线看作一个动态的电容器，金属天线是一极，电磁波电场为另一极，电磁波电场动态的分布于整个波长空间，金属天线的静电场同样虚拟的分布于整个波长空间。如果金属天线质量设为m，只要电场力足够强，可以推动金属天线从原点静止状态移动到达+y某一点，如果速度为vy，那么金属天线的动量为

（7）

2  实验方案建议

实验建议如图6所示。图6（a）是结构图，为了使实验精度更高，所有的实验设备和仪器应远离导体。左侧是高增益偶极天线辐射系统，可以調节位置和方向，辐射电磁波的波长为 "λ" ，频率为f。右侧是一套特殊的接收天线系统，可以称为动能天线，负责将电磁波能量转换为动能。为了减少动能天线的辐射，将天线的长短缩短，变成球形天线1和2，可以限制电流产生辐射，球形天线1和2之间距离为"λ" / 2。高频交变电源负责向球形天线馈入电压，高频交变电源的频率和初相位与偶极天线辐射的电磁波相同。图6（b）是电磁波与球形天线在前1/2周期相互作用的过程，图6（c）是后1/2周期的相互作用过程，细箭头E是电磁波电场方向，粗箭头F是球形天线的受力方向，可以看出，两个球形天线在一个周期内受力方向相同。由于高频交变电源和馈线会产生分布电容，电磁波会与分布电容发生相互作用，可以通过调节辐射主波瓣方向避开电源和馈线，可以将相互作用降低到最小。

只要选择合理的参数，可以有其他方法进行实验，比如利用驻波、反射波等。要实现电磁波转换动能需满足一些参数要求：一是电磁波频率与动能天线馈入电压的频率相等，为了降低动能天线的电磁辐射，可以降低动能天线馈入电压的频率，但必须降低整数倍;二是初相位需要二者具有固定相位差nπ，n等于偶数;三是动能天线正负极之间的距离需要等于电磁波1/2波长的奇数倍。可以看出，电磁波转换动能的过程和电磁波（光）的干涉原理几乎完全一致。

3  动量守恒定律与牛顿第三定律

如果以上的分析都能成立，那么将得到一个很有重要的结果，能量虽然守恒，但是动量将不在守恒。由牛顿第三定律

（8）

将式（5）带入式（8）可得金属天线的反作用力

（9）

将上式对时间积分后与式（6）比较可以得到

（10）

将上式与式（7）比较可得

（11）

电磁波电场在一个周期内虽然有正负两个方向，但是两个方向与金属天线的作用力都是沿+y方向。由模型图可以看出，金属天线并不存在相反方向的力和冲量，式（8）和式（11）并不成立，由此可得

（12）

进一步可以推出式（8）的牛顿第三定律的力与反作用力并不相等

（13）

由式（7）可以看出，等号左侧由电磁波提供的冲量，并不包含质量项，所以，由电磁波和金属天线组成的系统，在没有外力的作用下，系统仍然有动量的变化，显然动量并不守恒。

4  结语

通过以上分析和论证，电磁波电场对金属天线产生推动力是必然的，电磁波辐射能量直接转换为动能更是确定的，并且可以看出电磁波电场具有动力学特征是基于现有电动力学的推论，逻辑上也是自洽的。

最后希望实验科学工作者通过实验来验证理论的可行性。

参考文献

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