Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 1] ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 13
и теории непосредственного действия на расстоянии. Последняя также пользуется понятием поля. Однако в ней поле выступает не как физическая реальность, а как вспомогательное математическое понятие, вводимое лишь для удобства описания электромагнитных взаимодействий. По теории действия на расстоянии не имеет смысла говорить о поле в той или иной точке пространства, пока в нее не внесено заряженное тело, на которое действует электромагнитная сила.
7. Первоначальная теория Максвелла не вводила принципиального различия между материальными средами и вакуумом (эфиром). Вакуум рассматривался в ней как одна из сред, отличающаяся от других сред только количественно: значениями диэлектрической п магнитной проницаемостей и электропроводности. Более глубокую н ясную картину дала электронная теория, творцом которой был великий голландский физик Г. А. Лорентц (1853—1S28), Она была создана и детально разработана еще до открытия электрона н установления структуры атома. [Электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном (1856—1940) в 1897 г., модель атома Резерфорда (1871—1937) появилась в 1911 г., а теория Бора (1885—1962) —-в 1913 г.]. На современном языке основную идею электронной теории можно сформулировать следующим образом. Вещество состоит из положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных электронов. Для наших целей пока нет необходимости вдаваться в детали строения атомов и атомных ядер. Важно заметить лишь, что вакуум является универсальной средой, в которой возбуждается электромагнитное поле. С точки зрения теории электричества всякое вещество следует рассматривать как вакуум, испорченный вкрапленными в него атомными ядрами и электронами. Заряды этих частиц возбуждают электромагнитные поля, накладывающиеся на внешнее поле, в которое внесено вещество. Наложением таких полей и определяется электромагнитное поле в веществе. С этой точки зрения изучение электромагнитного поля в веществе сводится к изучению поля в вакууме. Так мы и поступим в дальнейшем. Сначала изучим электрическое и магнитное поля в вакууме, а затем исследуем, как поле искажается зарядами атомных ядер и электронов вещества. Таким путем электронная теория привела к более глубокому пониманию уравнений Максвелла в веществе. Она явилась рациональной основой для понимания электрических н магнитных свойств вещества с атомистической точки зрения. Сам Лорентц и его последователи, разумеется, пользовались классическими представлениями. Это приводило к трудностям принципиального характера, преодоление которых стало возможным только после того, как электронная теория была перестроена на квантовой основе.
8. Уравнения Максвелла являются обобщениями опытных фактов. Их доказательство надо искать в сопоставлении с опытом выводимых
14
ВВЕДЕНИЕ
из них следствий. Эти уравнения составляют стержень всей электродинамики. Они могут рассматриваться как основные аксиомы электродинамики, играющие в ней такую же роль, какую законы Ньютона играют в классической механике. Поэтому изложение электродинамики можно было бы строить чисто дедуктивно на основе посту-лативно установленных уравнений Максвелла. Однако для первоначального изучения такой путь нецелесообразен. Мы глубже проникаем в сущность электродинамики Максвелла, если изберем индуктивный метод изложения. Мы начнем с простейших опытных фактов и явлений, которые правильно описываются не только на языке теории поля, но и на языке теории непосредственного действия на расстоянии. Постепенным обобщением законов этих явлений мы придем к таким результатам, которые уже не укладываются в рамки теории действия на расстоянии, а могут быть истолкованы только с помощью теории поля. В конце концов мы придем к системе уравнений Максвелла, после чего все последующее изложение будет строиться на их основе.
§ 2. Электрический заряд и напряженность электрического поля
1. Важнейшими понятиями в учении об электричестве являются электрический заряд и напряженность электрического поля. Качественное представление об этих понятиях дают простейшие опыты по электричеству, известные из элементарного курса физики. Здесь мы остановимся только на количественной стороне вопроса. Точное количественное определение заряда и напряженности электрического поля, как и всяких других физических'величин, сводится к указанию принципиального способа их измерения.
2. Будем предполагать сначала, что электрическое поле не изменяется во времени. Такое поле называется электростатическим. Оно может быть возбуждено неподвижными электрическими зарядами. Малое электрически заряженное тельце, настолько малое, что оно практически не вызывает (вследствие индукции) перераспределения электрических зарядов на окружающих телах, может служить пробным телом или пробным зарядом. Возьмем два пробных заряда и будем последовательно помещать их в одну и ту же точку пространства, и притом так, чтобы оба заряда покоились в соответствующей системе отсчета. Так как поле не меняется во времени, то эти заряды будут подвергаться действию одного и того же поля. Пусть F1 и F2 — силы, действующие на эти неподвижные заряды. Обобщением опытных фактов является следующий результат. Силы F1 и F,, имеют либо одинаковые, либо прямо противоположные направления, а их отношение не зависит от положения точки, в которой помещаются пробные заряды. Отношение FJF^ является поэтому характеристикой самих только пробных зарядов, а не поля, в которое они помещены. Это позволяет характеризовать состояние
