> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Эти представление могут быть легко уточнены

Эти представление могут быть легко уточнены

Эти представления могут быть легко уточнены. Обозначая заряд положительной пластинки конденсатора через е, а площадь ее (равную, конечно, площади отрицательной) через 8, мы имеем для напряженности электрического поля внутри конденсатора уже известнуюнам формулу Е=А~ Таким образом, е=ES — Ч, где Ч“=ES

то, естественно, возникает вопрос—не может ли переменное электрическое поле являться непосредственным источником магнитного поля, аналогичного фарадеевскомуе Этот вопрос был поставлен Максуэлом в 70-ых годах прошлого века и решен им в утвердительном смысле на основании следующих соображений.

Представим себе плоский конденсатор А, пластинки которого, после предварительного заряжения его, соединяются друг с другом с наружной стороны металлической проволокой В (рисунок 19). При этом конденсатор должен разрядиться; другими словами, по проволоке потечет электрический ток в направлении от положительной пластинки к отрицательной, что сопровождает уменьшением заряда его обклапредставляет собой электрический поток, проходящий через какое-либо сечение конденсатора. Принимая во внимание, что сила тока в электромаг-

1 de

с dt

мы

(2)

нитных единицах равна г=получаем соотношение

d qr.

=4кс dt

Эта формула показывает, что рольсилы тока играет быстрота изменения

Электрического потока между обоими концами разомкнутого проводника, деленная на 4-е. Аналогичным образом плотности тока, то есть силе тока, отнесенной к единице поперечного сечения, соответствует величина

1 dE ,

е==4 «1Г

Обыкновенный замкнутый электрический ток окружен, как мы знаем, магнитным полем, силовые линии которого представляют собой замкнутые кольца, охватывающие контур тока. Если вычислить это поле согласно закону Био-Савара и составить для какого-нибудь контура, охватывающего контур тока, величину, соответствующую электродвижущей силе V в случае фарадеевокого электрического поля, то оказывается, что эта величина V, называемая по аналогии „магнитодвижущей силой”, связана с силой тока черезвычайно простым соотношением V=Ы. (4)

Заметим, что „магнитодвижущая сила” V для какого-нибудь контура может быть определена как сумма произведений элементов этого контура dS на параллельную им слагающую магнитной напряженности (при определенном направлении обхода контура). В случае незамкнутого контура ее можно было бы определить как разность магнитных потенциалов на его концах.—Формулу (4) нетрудно проверить на частном примере, а именно, если рассматриваемый контур совместить с одной из магнитных силовых линий в непосредственной близости к проводнику с током. Эти линии, как мы знаем, имеют форму кругов, причем на расстоянии г от оси проводника, то есть для круга радиуса г, магнитная напряженность Я 21

равна .. Мы получаем, таким образом, V=Н.2~г =ЛтЛ, в согласии с формулой (4).

Заменяя в этой формуле силу тока i ее выражением (2), мы приходим к формулесовершенно аналогичной формуле (1), выражающей закон электромагнитной индукции. Нетрудно проверить, что они на самом деле отличаются только знаком. Это различие, как мы увидим дальше, имеет весьма существенное значение. Итак, мы видим, что убывающее электрическое поле создает вокруг себя магнитное поле, но своей структуре тождественное с электрически; полем, создаваемым возрастаю -

щим магнитным полем (и наоборот).

Закон, выражаемый формулой (5), можно было бы назвать законом „маг-нито электрической индукции“ 1), считая магнитодвижущую силу V „индуцированной“ изменением электрического потока через соответствующий контур.

Следует заметить, что формулы (4) и (5) представляют собой два предельных частных случая, первый из которых соответствует присутствию одного лишь тока проводимости (то есть потока электрических зарядов), а второй— одного лишь тока смещения (то есть переменного электрического потока). В общем случае наличия того и другого формула заменяется следующей:

V -= 4-/ + -df. (6)

Следует заметить трж же, что здесь i и IF представляют собой потоки через тот контур, для которого определяется магнитодвижущая сила V. Таким образом, если последний не охватывает контура тока г, а также в общем случае при отсутствии движущихся зарядов в рассматриваемой области пространства, формула (0) сводится к (5).

Ограничиваясь этим случаем, мы получаем следующую картину своеобразного сцепления между электрическим и магнитным полем. Изменение во времени одного из них вызывает появление другого. При этом магнитные силовые линии, образующиеся вокруг возрастающего электрического поля, охватывают его в виде колец в том же направлении, как и в случае обыкновенного тока (рисунок 20а), а электрические силовые линии, образующиеся вокруг возрастающего магнитного поля, охватывают его также кольцеобразно, но в противоположном направлении. Исчезновение электрического поля сопровождается появлением магнитного, исчезновение магнитного— появлением электрического. Результатом этого взаимного порождения обоих полей является—как показал Максуэл (см.ниже)—перемещение их в пространстве со скоростью с. Это перемещение,

») В настоящее время в советской-литературе этот закон, в большинстве случаев, называется закон“.-м йодного тока.

или „распространение“электромагнитного поля из некоторой области, где оно было сосредоточено в начальный момент времени, происходит по тому же самому закону, которым определяется распространение какой-либо деформации (сжатия, растяжения и так далее) в упругой однородной среде, например в воздухе. Как известно, в последнем случае всякое нарушение равновесия распространяется обычно в виде звуковых колебаний, или волн. Аналогичные колебания и волны—но не механического, а электромагнитного характера—могут распространяться в пустом пространстве из ко кого-либо очага,

Мысль об электромагнитной природе света была высказана Фарадеем, который пришел к ней весьма простым, но по существу совершенно неправильным путем. А именно, в своих исследованиях об электрических и магнитных явлениях Фарадей руководствовался представлением о том, что электрические и магнитные силы передаются от одного тела к другому не непосредственно через разделяющую их пустоту (подобное „действие на расстоянии“ казалось ему немыслимым), но через некоторую промежуточную материальную среду, заполняющую пространство, которое нам кажется совершенно пустым (ср.

Рисунок 20.

где имеются источники переменного (во времени) электрического и магнитного поля, то есть колеблющиеся электрические заряды. Скорость с=3 10101 см/сек., с которой распространяются в окружающем пространстве электрические и магнитные силы (или, вернее, напряженности) и которая может быть определена из опыта как отношение электромагнитной единицы электрического заряда к электростатической, в точности совпадает с непосредственно измеренной скоростью распространения света в пустоте. Смысл этого совпадения, которое уже было отмечено нами выше, заключается, очевидно, в том, что свет представляет собой электромагнитное явление, то есть, другими словами, что световые колебания и волны представляют собой не что иное, как волнообразно распространяющиеся колебания электрических и магнитных полей, и что источниками света, вызывающими эти „силовые“ колебания, являются колеблющиеся электрические заряды (ср. свет, XXXVJI, 563).

I главу, конец § 6). Подобная среда была введена еще за полтора века до фарадея Гёйгепсом в качестве передатчика световых действий и утвердилась в физике под названием светового (или мирового) эфира (ср. физика, XL11I, 312 сл.). Представлялось естественным не создавать новой специальной среды для передачи электромагнитных действий и возложить соответствующие обязанности на тот же самый эфир. Таким образом, гипотеза эфира послужила соединительным звеном между областями физических явлений, до этого казавшихся совершенно различными—электромагнетизмом и оптикой. Из представления о том, что электромагнитные и световые действия передаются через один и тот же эфир, непосредственно вытекало, во-первых, что электромагнитные действия должны распространяться со скоростью света и, во-вторых, что световые колебания можно рассматривать как колебания электрических и магнитных сил. При дальнейшем углублении и матсматическом развитии идей Фарадея Мак-суэл руководствовался той же самой гипотезой эфира как средоточия электромагнитных явлений, рассматривая электрические заряды и токи лишь как источники или очаги упругих напряжений и движений этой среды. Однако, логика вещей и опытные факты привели его к системе уравнений [по существу тождественных с приведенными выше уравнениями (1) и (6)], которые не могли быть согласованы ни с какими конкретными представлениями о механических свой етвах эфира.

Некоторое время казалось, что сведение электромагнитных явлений к явлениям механическим, то есть к движению и взаимодействию материальных частиц, принципиально невозможно и что теория Максуэла приводит к необходимости замены старого механического мировоззрения новым электромагнитным, в котором основной реальностью является электромагнитное поле, существующее в пустом пространстве. Вскоре, однако, в связи с развитием электронной теории, выяснилось, что это поле существует не само по себе, но обусловливается элементарными заряженными частицами материи-электронами (и протонами), и что, следов., его можно рассматривать как простого посредника в действиях, оказываемых различными частицами друг на друга.

Таким образом, отвергнув гипотезу эфира, приведшую к представлению о конечной скорости распространения электромагнитных сил в пустом пространстве, и низведя электромагнитное поле на роль посредника между заряженными материальными частицами, физика восстановила поколебавшееся было механическое мировоззрение, но не в прежней форме, где действие между частицами на расстоянии считалось мгновенным, а в новой форме, где это действие, поскольку по крайней мере оно определяется электрическим зарядом частиц, является запаздывающим.

Сведение всех физических действий к электрическим (электромагнитным) и установление того принципа, что они передаются через пустоту не мгновенно, а с конечной скоростью, и составляет основное отличие нового механического мировоззрения от старого1).

§ 2. Основы теории электромагнитного излучения.Весьма распространенное представление об электромагнитных волнах, как о чем-то. существующем самостоятельно, совершенно не связанном с электрическими зарядами, в корне неправильно. Электромагнитные волны, как и всякое электромагнитное поле, обусловливаются электрическими зарядами. Покоющиеся заряды создают одно лишь кулоновское поле. Заряды, движущиеся прямолинейно и равномерно, создают, кроме того, магнитное поле Био-Савара. Наконец, заряды, движущиеся с некоторым ускорением, создают пропорциональное последнему электрическое поле, которое мы назвали „фарадеевским“, и непосредственно с ним связанное, также пропорциональное ускорению, магнитное поле, которое мы назовем максу-эловским. Конечная скорость распространения электромагнитных действий выражается при этом в том обстоятельстве, что электрическая и магнитная напряженность в каждой точке пространства определяется положением, скоростью и ускорением данного заряда не в тот момент времени t, для которого эти напряженности определяются, а в некоторый предшествующий момент времени Г, когда расстояние заряда от рассматриваемой точки R {V) равнялось с (t — V).