ПЕРША КОНЦЕПЦІЯ ОБ'ЄДНАННЯ НУЛІВ

Магнітне поле постійних струмів або рівномірно рухомих зарядів має незмінні в часі параметри. У цьому сенсі воно статично, як і електричне поле нерухомих зарядів. Чи вичерпується різноманіття полів тільки статичними полями? Чи існують в природі динамічні поля Е і В, змінні в часі і просторі?

Якщо вони існують, то їх поява має спостерігатися в динамічному процесі зміни стану руху електричного заряду, тобто в процесі зміни швидкості зарядженої частинки, її прискорення. Спробуємо дещо дізнатися про особливості динамічного електричного поля, не вдаючись до складних математичних викладок, користуючись тільки одним фундаментальним положенням: джерелом ліній напруженості Е є електричний заряд.

В процесі прискорення раніше нерухомого заряду изотропное поле повинно перейти до розподілу «стислих», як віяло, ліній напруженості поля рухомого заряду (рис. 58). Перехід повинен відбуватися так, щоб лінії не обривати і число їх не змінювалося. Розглянемо схему перехідного процесу (рис. 58).

Злам ліній поля Е

Мал. 58. Злам ліній поля Е

Схема являє собою як би миттєвий знімок стану всіх ліній Е в просторі для моменту часу t після початку руху. Воно починається з того, що за інтервал dt нерухомий заряд прискорився до значення V = const, і далі з такою швидкістю переміщається прямолінійно.

Сигнал про зміну стану руху заряду поширюється зі швидкістю світла с. За час t радіус області, в якій поле від ізотропного змінилося до «стисненого», досягає величини R = ct. За межами цієї області все ще зберігається центрально-симетрична конфігурація ліній Е. Оскільки число ліній не змінюється і вони не перетинають один одного, то ми повинні з'єднати відповідні стрілки (хоча б по прямій, в лінійному наближенні).

Злам ліній відбувається насправді в тонкому кульовому шарі товщиною dR = cdt на кордоні двох статичних полів. Перехідний динамічний шар «стирає» зі швидкістю світла потенційне статичне поле нерухомого заряду і залишає за собою непотенційного поле рівномірно рухомого заряду.

У чому принципова відмінність динамічного поля від статичного?

Зверніть увагу, для статичних полів вектор Е завжди спрямований по радіус-вектору від заряду до точки спостереження. А в перехідному шарі обов'язково з'являється компонента, перпендикулярна радіус-вектору (інакше злам не вийде). Очевидно, що властивості такого поля можна звести до властивостей статичних полів, це новий вид поля. Такі висновки якісного аналізу.

Кількісний опис динамічного поля дав англійський фізик Дж. К. Максвелл.

Для читачів, мало знайомих з математичними операціями дивергенції і ротора, скажімо, що операція дівіргенціі дає кількісну величину джерела поля, а ротора - показує причину закручене ™, вихрового характеру поля.

Для вакууму, де немає речових носіїв заряду і струмів, Максвелл теоретично отримав наступну систему диференціальних рівнянь.

Тут позначено:

Е і Н - вектори напруженостей полів,

D і В - вектори індукції електричного і магнітного полів.

Перш за все, ця система заслуговує естетичної оцінки: вона красива з математичної точки зору. Л.Больцман сказав про неї словами Фауста з однойменного твору Гете:

Чи не Бог накреслив ці письмена?

Краса з'являється як результат симетрії, завершеності і величезної концентрації раціонального сенсу. Якого ж?

  • 1. Досить тільки однієї умови: щоб В і D були змінними в часі, для існування самостійного електромагнітного поля. Одного разу виникло поле з dB / d Tф 0 породжує змінне поле Е. В свою чергу, dD / d 0 обумовлює продовження - появу змінного магнітного поля. І так далі і далі по простору.
  • 2. Змінні Е і В є повністю рівноправними складовими загального електромагнітного динамічного поля. У ньому лінії напруженості охоплюють лінії індукції і навпаки, без розривів.
  • 3. Площини, в яких лежать кільця ліній Е і В, взаємно перпендикулярні. Для пояснення розглянемо схему трьох сусідніх замкнутих ліній (рис. 59).
Розташування ліній вихрових полів

Мал. 59. Розташування ліній вихрових полів

Різниця в знаках при похідних (мінус в одному випадку і плюс в іншому) не є випадковим фактом. Навпаки, це випливає з закону збереження енергії. В області, де магнітне поле досягає максимуму, лінії векторів електричного поля мають протилежні напрямки, їх суперпозиція дає в результаті нульове значення Е. У тих областях, де напруженість електричного поля досягає максимального значення, індукція магнітного поля В прямує до нуля. Це забезпечує послідовний перехід енергії магнітного поля в енергію електричного і навпаки.

Легко передбачити, що періодична зміна в просторі і в часі електричної і магнітної складових буде описуватися періодичними функціями синуса і (або) косинуса, задовго до Максвелла вже використаними для опису хвиль. Дійсно, простий підстановкою можна переконатися, що ці функції задовольняють системі рівнянь Максвелла.

Таким чином, можна стверджувати, що Максвелл зробив відкриття - він теоретично передбачив новий вид поля - електромагнітні хвилі. Згодом їх експериментально спостерігав Г. Герц. Швидкість їх поширення виявилася дорівнює швидкості світла, що стало важливим аргументом на користь хвильової природи останнього.

Класична електродинаміка Максвелла дозволила отримати вираз для потужності випромінювання електромагнітних хвиль прискорено рухомим зарядом. Виявилося, що залежність від величини прискорення дуже сильна - пропорційно другого ступеня прискорення!

У сучасній фізиці теорія Максвелла використовується в багатьох додатках електродинаміки, зокрема для розрахунку спектрів гальмівного рентгенівського або синхротронного випромінювання електрона.

У першому випадку воно виникає в результаті різкого гальмування електронів, що падають на поверхню твердого тіла. Синхротронне випромінювання - его наслідок прискорення центростремительного. Воно виникає при русі електрона по круговій орбіті в камері синхротрона і направлено по котра утворює конуса, віссю якого є дотична до орбіти електрона. Втрата енергії на синхротронне випромінювання перешкоджає подальшому прискоренню - кінетична енергія, отримана при прискоренні, переходить в енергію випромінювання електромагнітних хвиль.

Тут теорія Максвелла виконується з високою точністю, дозволяючи розрахувати і порівняти з експериментальним спектральний склад синхротронного випромінювання.

Однак для опису руху електрона в атомах вона не придатна, тому що передбачає безперервні втрати енергії на випромінювання хвиль. Атом же випромінює дискретно, тільки при переходах з одного енергетичного стану в інший.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >