Д.Д. Томсон: Кн. для учащихся - Кудрявцев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Идея взаимодействия на расстоянии нашла и своих про-
14 тивников, среди которых был Выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867). Фарадея глубоко заинтересовала роль среды во взаимодействиях. Начало изучению этой роли было положено им в исследованиях электромагнитной индукции, когда он ввел предположение об Особом «электротоническом» состоянии материи вокруг магнита или проводника, по которому протекал электрический ток. Развитие этой идеи привело Фарадея к понятию поля, способом выражения которого были силовые линии. Для количественных подсчетов взаимодействий Фарадей вводит понятие силовых трубок — трубчатых поверхностей, составленных из силовых линий.
Известно, что законы электромагнетизма Фарадей формулировал с помощью силовых линий и трубок. Его идеи получили развитие в трудах Максвелла, который не только придал им ясную математическую форму, но и значительно укрепил Йрзиции сторонников близкодействия.
' Томсон продолжает развивать понятия Фарадея о силовых линиях и трубках. Он использует их гораздо шире и полнее, чем это делал Максвелл. Как и у Фарадея, силовые линии У Томсона — это реальные образования. Он их сравнивал с Молекулами в кинетической теории газов. Различные явления электромагнетизма Томсон объяснял движением фарадеевских трубок или изменением в их положении или форме. «Этот взгляд на электрические явления,— писал он,— может считаться образующим род молекулярной теории электричества, причем фарадеевские трубки занимают место молекул в кинетической теории газов... Точно так же эти трубки похожи на молекулы газа и в другом смысле, когда мы рассматриваем их как неспособные к разрушению или возникновению». Эта выдержка показывает, что с самого начала своей научной деятельности в области электромагнетизма Томсон встает на позиции электронной теории.
Томсон считал, что метод силовых линий и трубок Фара-Дея — это физический метод. «Этот метод,— писал он,— имеет Все преимущества наглядности, вытекающей из использования конкретных величин вместо абстрактных символов... Им легко оЙерировать и потому он особенно пригоден для быстрого изучения основных особенностей проблемы; однако при детальной разработке аналитический метод (метод математических формул и символов.— С. К.) необходим. При исследо-
15 вании какой-либо из различных областей электричества мы должны действовать в соответствии с предписанием Бэкона, что наилучшие результаты достигаются тогда, когда исследование начинается Физикой, а заканчивается Математикой».
Эта цитата, взятая из предисловия к книге «Замечания о современных исследованиях по электричеству и магнетизму...», определяет основную методологическую установку Томсона. При исследовании физических явлений он широко использует наглядный физический метод и умело сочетает его с математикой. При этом Томсон отводит большую роль конкретной наглядной модели явления.
Современная теоретическая физика не пошла по пути Томсона. Она отбросила наглядные физические модели явлений и заменила их математическим описанием. Но этот метод позволил Томсону сделать немало замечательных открытий и помогал ему в педагогической деятельности. Так, с помощью представлений о фарадеевских трубках Томсон объяснял макс-велловский ток смещения. Необходимость введения этого наглядного представления при истолковании тока смещения возникла у него оттого, что студенты, которым он читал лекции по электродинамике, не понимали этого вопроса. Для них уравнения Максвелла были не более чем системой дифференциальных уравнений. Томсон объяснял ток смещения в диэлектрике разностью числа фарадеевских трубок, выходящих из произвольной единичной площадки, перпендикулярной направлению трубок, и числом трубок, входящих в эту площадку.
Фарадеевские трубки помогли Томсону и в объяснении движения заряженной сферы — математическом исследовании, опубликованном еще в 1881 г. в «Трудах философского общества», из которого родилось важное открытие — понятие электромагнитной массы.
Рассуждения Томсона, приведшие его к этому результату, были следующими. Пусть равномерно движется заряженная сфера радиуса а. Если скорость сферы мала по сравнению со скоростью света, то фарадеевские трубки будут равномерно распределены по радиальным направлениям так, как если бы сфера была в покое. Они будут перемещаться вместе со сферой. Движущиеся трубки порождают магнитное поле, напряжен-гт ev sin а
ность которого H =-р—, а энергия в единице объема
u H2
—, где ц — магнитная проницаемость. Полная энергия маг-
ол
нитного поля равна:
V
16 При движении сфера массой т обладает кинетической энергией m^ . К этой энергии следует добавить энергию магнитного поля:
W-
1
1 2, ,2 Т^ + Т а
(хе
Таким образом, получается, что полная энергия равна кинетической энергии заряженной сферы, у которой масса
стала т + Добавку -§-назвали электромагнитной
о CL о О,
массой. «Это очень важный результат,— пишет Томсон,— так как он показывает, что часть массы заряженной сферы обязана своим происхождением ее заряду». Томсон находит для этой электромагнитной массы простую механическую аналогию — движение сферы в жидкости без трения. Движущаяся сфера приводит в движение и окружающую ее жидкость. Скорость жидкости пропорциональна скорости движения сферы, «так что, двигая сферу,— пишет Томсон,— мы должны приводить в движение не только вещество самой сферы, но и окружающую жидкость; в результате сфера ведет себя так, как будто ее масса увеличилась на некоторый определенный объем жидкости. Этот объем, как было показано Грином в 1833 г., равен половине объема сферы...».
