> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Энергия

Энергия

Энергия, уносимая электромагнитными волнами, берется, очевидно, за счет их источника, то есть за счет механической энергии колеблющегося электрического заряда. Но эту механическую энергию, как мы знаем, можно рассматривать как энергию электромагнитного поля, создаваемого им и его партнером (то есть неподвижным зарядом противоположного знака, притяжением к которому обусловливается колебательное движение первого заряда). С этой точки зрения потенциальная энергия образуемой ими системы (включая собственную энергию каждого из зарядов в отдельности) измеряется электрической энергией кулоновского поля, а кинетическая энергия—магнитной энергией био-саваровского поля. Тактг образом, механическую энергию можно рассматривать тсак электромагнитную энергию, сосредоточенную в непосредственной близости к данному заряду (и его партнеру), то есть на расстоянии меньшем, нежели длина волны. Что касается всей остальной электромагнитной энергии, находящейся в волновой зоне и непрерывно уносимой волнами во все стороны, то для нее в механике нет аналога- Она пропорциональна квадрату ускорения движущегося заряда, а также толщине волновой зоны, то есть времени, протекшему с начала рассматриваемого движения. Эту энергию называют обычно лучистой энергией, а процесс превращения механической энергии (то есть энергии кулоновского и био-саваровского поля) в лучистую (то есть в энергию фарадей - максуэловского поля) называют электромагнитным излучением. Следует подчеркнуть, что приведенное деление электромагнитной энергии на механическую и лучистую не может быть проведено точным образом и поэтому имеет весьма условный смысл, хотя и оказывается весьма удобным на практике. Исторически оно возникло и развилось на почве представления об эфире как о передатчике „лучистых явлений“ (то есть видимого и невидимого света., причем в этой теории лучистая энергия приписывалась эфиру, а механическая—обыкновенной материи.

До этих пор мы ограничивались весьма суммарным описанием фарадей - максуэловского поля, или поля электромагнитных волн, отметив лишь тот факт, что напряженность этого поля прямо пропорциональна ускорению создающего его заряда и обратно пропорциональна первой степени расстояния. В дополнение к этому мы должны теперь указать следующие его особенности.

1) Поперечный характер, выражающийся в перпендикулярности элек-

—>

трической напряженности Е и маг—>

нитной П к направлению „луча“,

—>

то есть прямой R, проведенной от очага поля к данной точке и определяющей направление распространения волн в

Этой точке. К этому следует приба-

—> —>

вить, что Е и Н зависят не от всего

—>

вектора ускорения го, но лишь от

—>

поперечной проекции его гоъ то есть от проекции его на плоскость, перпендикулярную к лучу, причем вектор

Е направлен в сторону противоположную ускорению.

—> —

2) Напряженности Eh Н численно равны друг другу и взаимно перпендикулярны. При этом они направленытаким образом, что при вращении от —

Е к Н (на 90°) правый винт передвигается в направлении луча.

Если изобразить рассматриваемое поле на некотором расстоянии. R от заряда при помощи силовых линий, то получается следующая картина. Силовые линии образуют сетку, лежащую на поверхности шара с радиусом R. Если уподобить этот шар земному шару и под осью его подразумевать прямую, проведенную в направленииускорения w (в эффективный момент ]

f=t— —), то электрические силовыелинии образуют меридианы шара, расходящиеся от положительного (северного) полюса и сходящиеся к отрицательному (южному), а магнитные силовые линии — параллельные круги проведенные с запада на восток, то есть так, чтобы при вращении в этом направлении правый винт перемещался в направлении оси. Наконец, густота силовых линий —как электрических, так и магнитных — достигает максимума у экватора и обращается в нуль у полюсов.

Заметим, что магнитное поле, о котором идет речь и которое мы называли выше „макоуэловским“, имеет структуру, совершенно аналогичную био-саваровскому полю—как в смысле формы силовых линий (коаксиальные круги), так и в смысле их густоты на данном расстоянии. При этом роль скорости играет ускорение, а густота убывает с расстоянием обратно пропорционально первой, а не второй степени.

Что касается фарадеевского электрического поля, то оно имеет характер совершенно отличный от кулоновского. Оно действует в сторону противоположную ускорению создающего его заряда на есз одноименные заряды, окружающие последний. В случае ускоренно - движущегося электрона, фарадеевское взаимодействие (взаимная индукция) его элементов создает силу торможения, которую мы интерпретируем как силу инерции. Учитывая запаздывание элементарных сил, исходящих от отдельных элементов заряда электрона, нетрудно показать, во-первых, что масса его должна возрастать с увеличением скорости, обращаясь в бесконечность при приближении последней к скорости света (при чем это увеличение массы оказывается пропорциональным кинетической энергии электрона). Далее, это запаздывание приводит к тому, что к силе инерции присоединяется добавочная сила, имеющая характер трения (сила лучистого торможения); действием этой силы и обусловливается то уменьшение механической энергии электрона, которым сопровождается его электро магнитное излучение.

Мы видим, таким образом, что электрические силы, которыми обусловливается инерция материи, по существу тождественны с силами, образующими световые волны.

§ 3. Электромагнитные волны и их источники. Колебательный или волновой характер световых явлений был установлен задолго до появления электромагнитной теории света в связи с явлениями интерференции (и диффрак-ции), которые вместе с тем дали возможность измерить длину световых волн. Последняя, как известно, заключается в пределах примерно от 8 стотысячных долей сантиметра для красного света и до 4 стотысячных — для фиолетового, чему соответствует громадная частота колебаний — порядка нескольких сот биллионов в секунду.

Теория Максуэла поставила на очередь создание и обнаружение искусственных электромагнитных колебаний гораздо меньшей частоты и соответственно этому гораздо большей длины волны. Эта задача была блестяще решена Герцем в начале 1880-ых годов, а двадцатью годами позлее открытые Герцем электромагнитные волны были технически использованы Маркони (а отчасти в России Поповым) для телеграфирования без проводов (смотрите радиотехника, XXXV, 362 сл.).

Длина электромагнитных волн, применяемых в радиотелеграфии, до последнего времени измерялась сотнями метров или даже километрами. Таким образом, между волнами видимого света и радио-волнами лежала целая пропасть. В настоящее время, однако, эта пропасть почти уничтожена. С одной стороны, длину искусственно создаваемых электромагнитных волн удалось путем уменьшения соответствующих приборов-вибраторов уменьшить с сотен метров до нескольких сантиметров и даже до десятых долей миллиметра. С другой стороны, чисто оптические исследования были продолжены за пределы красного конца спектра в область инфракрасных лучей <раньше называвшихся тепловыми), причем удалось практически осуществить „смычку“ этих лучей с электромагнитными. Заметим, что одновременно с необычайным расширением представления о световых волнах в сторону длинных волн было достигнуто не меньшее расширение его в противоположную сторону необычайно коротких волн, путем открытия рентгеновых лучей, (смотрите). Последние образуют непрерывную гамму, заканчивающуюся длиной волны примерно около одной миллиардной сантиметра. Волновая природа рентгеновых лучей, их принципиальная тождественность с видимыми лучами, а следовательно и с электромагнитными волнами Герца, была установлена не сразу, а лишь примерно лет через 20 после их открытия, когда Лауе (в 1913 году) впервые удалось обнаружить явления интерференции рентгеновых лучей при прохождении их через кристаллы или отражении от последних. Явление интерференции св‘-та заключается в периодическом усилении и ослаблении волн одинаковой длины при нало-лсении их друг на друга. Подобные ряды волн образуются при отражении рентгеновых лучей от равноотстоящих плоскостей, образуемых атомами кристалла, причем усиление их происходит лишь при определенных углах падения (и отражения), при которых волны, отраженные от соседних плоскостей, отличаются друг от друга по фазе на одну или несколько длин волн. Особая пригодность именно кристаллов для наблюдения интерференции рентгеновых лучей обусловливается тем обстоятельством, что расстояние между соседними плоскостями (или атомами) у большинства кристаллов совпадает по порядку величины с длиной волны рентгеновых лучей.

Явление интерференции рентгеновых лучей оказалось мощным орудием экспериментального исследования строения материальных тел—в особенности твердых, и в последнее время получило ряд важнейших применений в технологии и испытании материалов.

Спектр „световых“ колебаний (в расширенном смысле слова) простирается в сторону коротких волн еще довольно далеко за пределы рентгеновых лучей. Соответствующие ультра-рентгеновые лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами, называются гамма-лучами; лучи еще более короткой волны, в тысячу раз меньшей, чем у крайних рентгеновых лучей, пронизывают все мировое пространство и воспринимаются на земле как „космическое излучение“. Космические лучи вызывают ионизацию верхних слоев атмосферы, то есть вырывание электронов из атомов или молехсул воздуха, благодаря чему последний приобретает способность проводить Э. В этом отношении, то есть в повышении ионизации, а следовательно и электропроводности воздуха, космическим лучам помогают ультрафиолетовые лучи Солнца, действие которых ограничивается, конечно, только обращенной к Солнцу половиной земного шара.