Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Четыре закона Максвелла могут быть исключительно изящно записаны в виде математических уравнений. Жалко, что я Рис. 5.1.
не могу ознакомить читателя со смыслом этой записи. Нужны серьезные знания математики (рис. 5.1)..
-Законы Максвелла указывают нам"на то, что не может существовать переменное магнитное поле без электрического и переменное электрическое -— без магнитного. Вот по этой причине два прилагательных не разделяют запятой. Электромагнитное поле — это единая Сущность. ч -
Отдалившись от зарядов, являющихся источниками электромагнитного поля, мы имеем дело.с электромагнитной материей, так сказать, в чистом виде. Не обязатель-^ но рассматривать пучки силовых линий. Законы Максвелла могут быть записаны в такой форме, которая применима к точке пространства. Тогда они звучат особенно просто: в точке, в которой меняется во времени электрический вектор, существует и также меняется во времени вектор магнитного поля.
А не есть ли все сказанное чистая фантазия, спросит читатель. Ведь измерение в точке величин быстро мейя-ющихся векторов электрического и магнитного полей — практически не осуществимая задача.
Справедливо! Но о величии законов природы судят по вытекающим из них следствиям. Следствий этих не перечесть. Я нисколько не преувеличу, если скажу,
157
что вся электротехника и радиотехника содержатся в законах Максвелла.
Но ofr одном важнейшем выводе, вытекающем из уравнений Максвелла, рассказать необходимо. Безупречно строгими вычислениями можно показать, что должно существовать явление электромагнитного излучения.
Пусть в некотором ограниченном участке пространства имеются заряды и токи. В этой системе могут происходить разнообразные энергетические превращения. Механические или химические источники порождают электрические токи, токи в свою очередь могут приводить в движение механизмы и создавать тепло, выделяющееся в проводах. Подсчитаем доходы и убытки. Они не сойдутся! Расчет показывает, что какая-то доля^-энергии из нашей системы ушла в пространство.
Может ли теория сказать что-либо об этой «излученной» энергии? Оказывается, может. Решение уравнения имеет сложный вид вблизи источника, а вот на расстояниях, существенно превышающих размеры «излучающей» системы, картина становится весьма четкой, а самое главное — проверяемой на опыте.
На больших расстояниях электромагнитное излучение — так мы назовем тот энергетический дефицит, который создается в системе движущихся зарядов,— можно в каждой точке пространства характеризовать направлением распространения. В этом направлении электромагнитная энергия перемещается со скоростью около 300 ООО км/с. Эта величина следует из теории!
Второй вывод теории: электрический и магнитный векторы перпендикулярны направлению распространения волны и перпендикулярны друг другу. И, в-третьих, интенсивность электромагнитного излучения (энергия, приходящаясй на единицу площади) падает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Поскольку было известно, что свет распространяется как раз со скоростью 300 000 км/с, вычисленной для электромагнитного излучения, и ийелись достаточно исчерпывающие сведения о поляризации света, которые заставляли думать, что световая энергии обладает некими «поперечными» свойствами, то Максвелл приходит к заключению: свет является видом электромагнитного излучения.
158
Лет через десять после кончины Максвелла, в конце восьмидесятых годов, замечательный немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) подтвердил на опытах все выводы теории Максвелла. После этих опытов законы Максвелла утвердились на веки вечные в роли одного из считанных по пальцам руки краеугольных камней, на которых покоится здание современного естествознания.
МЕХАНИЧЕСКИЕ. МОДЕЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Механические модели противопоставляются математическим. Механические модели можно осуществить при помощи шариков, пружинок, струн, резиновых шнуррв и т. д. Механическая модель помогает сделать явление «зримым». Построив механическую модель и продемонстрировав ее действие, мы помогаем человеку понять явление, говоря: вот такая-то величина ведет себя наподобие вот такого-то смещения. Далеко не всякой математической модели можно сопоставить механическую.
Прежде чем говорить 96 электромагнитном излучении, факт которого устанавливается бесчисленным количеством опытов и следует с железной логикой.из уравнений Максвелла, нам н*ужно побеседовать о воз-, можных механических моделях излучения.
Таких моделей две: корпускулярная и волновая.
Можно изготовить игрушку, которая будет «излучать» во все стороны потоки маленьких частиц — горошинок, маковых зернышек. Это и есть корпускулярная модель, ибо слово «корпускула» значит частица.
Летящая с какой-то скоростью и обладающая некоторой массой частица должна вести себя по законам механики. Частицы способны соударяться, меняя направление своего движения/но обязательно так, чтобы соударение подчинялось законам сохранения энергии и импульса. Какие-то тела могут оказаться непроницаемыми для частиц, и тогда частицы должны- от них отражаться по закону: угол падения равен углу отражения. Частицы могут поглощаться средой. Если в одной среде частицам легче двигаться, чем в другойу то не трудно объяснить явление преломления. Проходя
