ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 50
Скачиваний: 0
переменное электрическое поле, напряженность которого меняется со временем по тому же самому закону. Д. Максвеллом была высказана идея о том, что это пе ременное электрическое поле, в свою очередь, создает переменное магнитное поле. Он не только высказал эту идею, но и сформулировал всю концепцию близкодействия на математическом языке, написав уравнения, ко торые связывают друг с другом напряженности электри ческого и магнитного полей. Самым важным выводом из этих уравнений было существование свободного, то есть не связанного с зарядами и магнитами электромагнитно го поля, которое распространяется с конечной скоростью в виде электромагнитных волн. Чтобы представить себе электромагнитную волну, заметим, что напряженности магнитного и электрического полей меняются со време нем по периодическому закону. Что же касается распро странения электромагнитной волны в пространстве, то изменяющееся со временем в некоторой точке простран ства магнитное поле вызывает в окрестности этой точки переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, ведет к появлению переменного магнитного поля и т. д. Простейший вид электромагнитной волны, распростра няющейся в пространстве, изображен на рисунке 2.
Согласно уравнениям Максвелла, вектора напряжен ностей электрического и магнитного полей лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях и колеблются перпендикулярно направлению распространения элек тромагнитной волны. Такие волны называются попе речными.
Из уравнений Максвелла также вытекало, что элек тромагнитные волны обладают механическими свойства ми в том смысле, что они переносят энергию, импульс и угловой момент. Действительно, взаимодействие двух движущихся электрических зарядов происходит через
22
электромагнитное поле. Это взаимодействие состоит в том, что один из зарядов излучает электромагнитную волну и меняет свою энергию и свой импульс. Так как электромагнитная волна распространяется с конечной
Рис. 2. Простейший вид электромагнитной волны, распространяю
щейся в пространстве: Е — напряженность электрического поля, Н —• напряженность магнитного поля.
скоростью, то второй заряд в течение некоторого време ни не изменяет своего движения. То есть энергия и им пульс, потерянные первым зарядом, переносятся электро магнитным полем. Аналогично обстоит дело и с момен том количества движения.
23
Электромагнитная природа света
Скорость распространения электромагнитных волн, фигурирующая в уравнениях Максвелла, конечна и, что самое интересное, численно совпадает со скоростью све та. Это дало основание Максвеллу утверждать, что свет — это электромагнитные волны. Если это так, то электромагнитным волнам должны быть присущи такие специфические волновые свойства, как дифракция и ин терференция, что и было обнаружено на опыте.
Явления дифракции и интерференции легче всего по нять на примере распространения волн на поверхности воды. Если бросить в воду камень, то от места падения камня, как из центра, пойдут круговые волны. Если же непрерывно создавать их, например грузиком, привязан ным к шнуру, поднимая и опуская его в воду, то по по верхности воды будут распространяться гребни и впади ны, следующие друг за другом. Расстояние между со седними гребнями называется длиной волны. Остальные величины, характеризующие волновое движение, такие, как частота, период и амплитуда, уже были введены нами при рассмотрении колебаний в механике. Пожалуй, самой удивительной чертой этого волнового процесса яв ляется то, что распространение волн не связано с перено сом частиц вещества, которые просто колеблются.
Дифракция
Явление дифракции состоит в том, что волны с дли ной волны, сравнимой с размером препятствия, способ ны огибать его. Будем создавать волны в какой-нибудь точке на поверхности воды. Если на пути волн поставить препятствие, размер которого много больше длины вол-
24
ны, то за ним появится пространство, свободное от волн. При увеличении длины волны мы будем наблюдать, как. волны начнут огибать препятствие. Когда длина волны много больше препятствия, то волны проходят так, как если бы последнего не было вовсе.
Дифракция волн возможна не только на препятст виях, но и на щели. Волны, падающие на щель, будут распространяться прямолинейно только в том случае, ес ли размер щели больше длины волны. Если же размер щели меньше длины волны, то волны за экраном (пре пятствием со щелью) будут распространяться во все сто роны и иметь вид концентрических кругов, центром ко торых является щель. То есть щель становится как бы источником, излучающим волны во всех направлениях.
Интерференция
Явление интерференции сложнее и наблюдать его не так уж просто. Оно состоит в том, что если в какую-ни будь точку пространства приходят две волны из одного' источника, то они могут либо уничтожить друг друга, если гребень одной волны совпадет со впадиной другой, либо усилиться, если складываются гребни двух волн или их впадины. Это явление присуще любому волновому движению. Пусть волна падает на препятствие с двумя щелями (рис. 3). Когда длина волны много меньше рас стояния между ними и сравнима или больше размера щелей, то происходит дифракция. Проведем мысленную линию за препятствием, параллельно ему, и назовем ее условно экраном. Волны, приходящие из разных щелей в точки экрана (рис. 3), интерферируют, то есть если в одной точке экрана они гасят друг друга, то в другой
25
точке—усиливают. Меряя интенсивность волн, мы можем построить распре деление интенсивности по экрану (рис. 3), которое дается кривой II.
Рис. 3. Прохождение волн через
препятствие со щелями. Кривая I показывает распределение интен сивности по экрану, если одна из щелей закрыта.
Эфир
Экспериментальное под тверждение существова-' ния электромагнитных волн Г. Герцем в 1888 году имело революцион ное значение для физики. Стало ясно, что электро магнитное поле, рассмат ривавшееся раньше как свойство заряженных ма териальных тел, оказа лось способным существо вать отдельно от них, в виде волн, распространя ющихся в пространстве, то есть вполне реально. Взаимодействие между материальными телами осуществляется через по ле, которое обладает энер гией и импульсом. На примере волн на поверх ности воды мы видели, что волны — это возму
26
щение среды. Перед физиками XIX века естествен но встал вопрос: «В какой среде распространяются элект ромагнитные волны?» Этот вопрос был закономерен, по тому что электромагнитная теория была первым выходом за рамки классической механики, влияние которой было настолько велико, что считалось обязательным любому явлению дать механическую интерпретацию. Среда, где распространяются электромагнитные волны, была назва на эфиром. Так как электромагнитные волны способны проходить через материальные тела, то эфир должен за полнять все пространство и все тела. Электромагнитные колебания в эфире больше напоминают колебания частиц не на поверхности воды, а внутри ее объема. Но внутри упругой среды могут распространяться и продольные вол ны, то есть волны сжатия и разрежения (когда частицы колеблются вдоль направления распространения волны). Электромагнитные же волнц1 поперечны. Физиками было
затрачено много усилий на построение механической мо дели эфира. Трудность заключалась в том, что для согла сования с экспериментальными данными эфир должен был обладать парадоксальными свойствами. Например, движение тела сквозь эфир не должно было сопровож даться трением и поэтому его можно представлять себе в виде газа. Но чтобы объяснить громадную скорость рас пространения электромагнитных волн, нужно было пред ставлять себе эфир очень упругим, то есть похожим на твердое тело. Все неудачи при построении модели меха нического эфира имели под собой глубокую физическую причину, которая была выяснена в специальной теории относительности.
Электронная теория
Многочисленные опыты в конце XIX века установили дискретный характер вещества и электричества. Оказа лось, что наименьший заряд переносится отрицательно заряженной частицей с очень малой массой, называемой электроном. Заряды всех тел являются целыми кратны ми заряда электрона, а электрический ток в макроскопи ческих телах обусловлен 'движением электронов. Было выяснено также, что как макроскопические тела, так и атомы нейтральны только потому, что содержат отрица тельное и положительное электричество в равных коли чествах. Исходя из этих фактов, голландским ученым Г. Лоренцем в 1892 году была создана теория, которая все электромагнитные свойства макроскопических тел объясняла движением зарядов. На основании современ ных данных положительные заряды, в местах располо жения которых сосредоточена почти вся масса тела (яд ра атомов), можно считать с большой точностью покоя щимися. Таким образом, электромагнитные свойства тел, как и предполагал Лоренц, в основном зависят от дви жения электронов, которые обладают чрезвычайно ма лой массой. Движущийся в пустоте электрон создает электромагнитное поле, и так как он представляет из себя частицу с определенной массой, то обладает импуль сом. В то же время электромагнитное поле также обла дает энергией и импульсом. Таким образом, движущийся электрон, создающий электромагнитное поле, обладает полным импульсом, равным сумме импульса самого электрона как частицы вещества и импульса электро магнитного поля, сопровождающего электрон. Для вы числения последнего необходимо сделать некоторые пред положения о структуре электрона, то есть о его форме и распределении заряда. Если предположить для просто
28
ты, что электрон имеет форму шарика с некоторым ра диусом и заряд распределен по всему объему равномер но, то импульс электромагнитного поля, связанного с электроном, будет равен произведению некоторой вели чины на скорость электрона. Тогда полный импульс электрона равен его скорости, умноженной на сумму мас сы электрона, как частицы вещества, и некоторой вели чины. Эту величину называют электромагнитной массой электрона, так как учет импульса электромагнитного поля эквивалентен увеличению массы электрона.
Природу электромагнитной массы можно понять, рас сматривая ускорение электрона. При этом электрон со здает переменное магнитное поле, которое в свою очередь вызывает переменное электрическое поле. Элек трическое поле направлено так, что оно тормозит элек трон. Таким образом, возникают дополнительные силы инерции, обязанные своим появлением электромагнитной индукции, мерой которых является электромагнитная масса. Если вычислить энергию электромагнитного поля, сопровождающего электрон, то она пропорциональна электромагнитной массе электрона с точностью до чис ленного множителя. Эта энергия, как и электромагнит ная масса, обратно пропорциональна радиусу электрона и, если считать электрон точкой, то есть уменьшать ра диус до нуля, то они стремятся к бесконечно большим величинам, как говорят, к бесконечности. Таким образом, уже в классической электродинамике мы встречаемся с бесконечными электромагнитными массами и соответст вующими энергиями. Аналогичные бесконечности появ ляются и в квантовой теории полей.
