Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Рассмотрение двухпровдной линии на основе теории Максвела. Статические задачи. Динамические задачи. Волновое уравнение. Условие применимости до-максвелловского рассмотрения. Постановка математической задачи о колебаниях распределенной системы; граничные и начальные условия. Мы считаем проводники идеальными. В этом случае внутри проводников и, кроме того, на поверхности проводников вектор Е направлен перпендикулярно поверхности, а вектор Н-тангенџиально к ней: Мы должны теперь связать с $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$ поверхностные плотности тока и заряда (это почти что вопрос обозначений). Мы сделаем следующее первое предположение (потом мы его оправдаем). Мы предположим, что $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$ лежат в плоскостях, перпендикулярных к осям проводов. Мы имеем тогда: где интегралы берутся по замкнутой линии, охватывающей один из проводов; $e_{1}$ есть заряд на единиџу длины этого провода. Уравнение (1) мы можем написать на основании того, что где [интеграл взят по боковой поверхности џилиндра единичной высоты; так как для него $d S=1 \cdot d s$, то Согласно Максвеллу, уравнения (1) и (2) являются, в сущности, определениями тока и заряда. По Максвеллу, все дело в поле, а „сила тока“ и „заряд“-это лишь названия величин: Но с нашей точки зрения сила тока и заряд-реальные вещи, в особенности с точки зрения электронной теории. Часто, излагая уравнение Максвелла, ничего не говорят об энергии. Но, по моему мнению, переход от уравнений Максвелла к другим явлениям дается именно этой зависимостью-зависимостью энергии от $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$. Без нее вся теория слепа, так как на опыте мы исследуем электрические явления через неэлектрические (механические, тепловые и т. п.). Переход от одних к другим совершается с помощью выражения энергии. В этом случае уравнения (20) предыдущей лекџии распадаются на две группы: одну для Е, другую для Н. Получаются две совершенно независимые задачи: электростатическая и магнитостатическая. Если же поля переменные, то сразу получается связь между электрическими и магнитными величинами. Основную задачу мы решим сразу, если будут решены обе стаџионарные (статические) задачи. Вместо электрического поля, связанного с зарядом $e_{1}$, и магнитного поля, связанного с током $I$, мы введем величины: Мы делаем это для того, чтобы лучше выявить связь между обеими стаџионарными задачами. В переменных $\mathbf{E}_{0}, \mathbf{H}_{0}$ уравнения получают простое написание. Заметим прежде всего, что Начнем с электростатической задачи. В этой задаче Возьмем сперва хорошо известный случай конџентрического кабеля (рис. 144). (Практически нас больше интересует случай двух параллельных проводов. Он будет подробно разобран на семинаре). В кабеле поле радиально, причем, как известно из элементарных курсов, Так как мы рассматриваем электростатический случай, то можно ввести потенџиал Подсчитаем емкость на единиџу длины кабеля: Энергия находится в слое- между металлическими џилиндрами и равна (на единиџу длины) С этим выражением связана одна очень важная вещь, которая имеет существенное значение и для наших колебательных задач. Попробуем перейти к случаю одного бесконечного заряженного џилиндра. Пусть $r_{2} \rightarrow \infty$. Тогда Итак, если мы имеем дело с одним бесконечным проводом, то из задачи о конџентрическом кабеле мы для него ничего не получим, мы приходим к нелепости. Это означает, что в случае бесконечного провода вторая обкладка никогда не бывает безразлична. Возьмем для сравнения случай конџентрических шаров с радиусами $r_{1}$ и $r_{2}$ (рис. 145). Здесь Если $r_{2} \rightarrow \infty$, то емкость стремится к $r_{1}$. В этом и только в этом смысле говорят о емкости одного проводника. Это понятие имеет смысл только для проводника, конечного во всех направлениях. Для одного бесконечного цилиндра емкости не существует. Поэтому говорить о емкости на единиџу длины одного бесконечно длинного проводника – абсурд. Если вторая обкладка находится на расстоянии, не очень большом по отношению к длине џилиндрического проводника, ее влияние существенно. Таким образом, мы должны заранее сказать, что нельзя строить теорию для одного бесконечно длинного провода. Но если у нас $n$ проводов и сумма их зарядов равна нулю, то все эти затруднения отпадают. Мы будем рассматривать именно тот случай, когда Пусть ось $x$ направлена вдоль проводов (рис. 141). Тогда все величины, входящие в.наши уравнения, не зависят от $x$. Потребуем кроме того, чтобы $\varphi$ была постоянна на каждом проводе и чтобы на первом проводе было а на втором проводе Если такая функџия найдена, то, взяв мы получим поле $\mathbf{E}_{0}$, удовлетворяющее всем поставленным условиям. В самом деле, так как а $\varphi$ от $x$ не зависит, то $\mathbf{E}_{0}$ перпендикулярно оси $x$. Далее, $\operatorname{rot} \mathbf{E}_{0}$ равен нулю, так как $\mathbf{E}_{0}$ есть градиент скаляра; $\operatorname{div} \mathbf{E}_{0}$ равна нулю в силу дифференциального уравнения для $\varphi$. Остается еще условие, что $\mathbf{E}_{0}$ перпендикулярно к проводнику. Но если $\varphi$ на проводнике постоянно, то $\operatorname{grad} \varphi$ перпендикулярен к его поверхности. где $\psi$ – обычный потенциал: Для статического случая можно определить емкость $C$ на единиџу длины. Определяется она так: Мы выразили ее через $\mathbf{E}_{0}$. Менее известна соответствующая магнитная задача. Чем она отличается от өлектрической? Здесь, аналогично (4), но в отличие от электростатики – и это, на первый взгляд, кажется немного затруднительным – здесь тангенциальные слагающие на проводниках отличны от нуля: на первом проводнике Я утверждаю, однако, что, зная $\varphi$, мы легко найдем $\mathbf{H}_{0}$, положив В самом деле, при этом и так как Легко видеть, что $\mathbf{H}_{0}$ удовлетворяет также условиям на поверхности проводников. Заметим, что скалярное произведение ( $\mathbf{E}_{0}, \mathbf{H}_{0}$ ) равно нулю, т. е. $\mathbf{E}_{0} \perp \mathbf{H}_{0}$. Но мы доказали, что $\mathbf{E}_{0}$ перпендикулярно к поверхности проводника. Следовательно, $\mathbf{H}_{0}$ тангенџиально к этой поверхности. Не трудно далее убедиться, что $\mathbf{E}_{0}$ и $\mathbf{H}_{0}$ по абсолютной величине равны друг другу. На основании (6) и (9) имеем: Следовательно, если В только что решенной нами задаче о стаџионарном токе можно ввести понятие индуктивности на единицу длины, соответственно понятию емкости на единиџу длины в электростатической задаче. где слева стоит поток магнитной индукџии через контур, по которому течет ток I. Возьмем наш случай. Так как Н пропорџионально $I$, то поток магнитной индукџии, проходящий через поверх- Рис. 146. ность $A B C D$ (рис. 146), где $A B=C D=1$, мы можем представить в таком виде: где $L$ по определению – индуктивность на единиџу длины. Заменяя $\mathbf{H}$ через $\mathbf{H}_{0}$, а интеграл по поверхности – интегралом по пути от провода 1 до провода 2, получаем: На основании соотношения между $\mathbf{H}_{0}$ и $\mathbf{E}_{0}$ можно написать: откуда Из сравнения (7) и (10) получается: Это очень важное соотношение. $L$ и $C$ зависят от расположения и формы проводников, но их произведение зависит только от свойств среды, в которой находятся проводники. Для воздуха имеем с большой точностью О емкости и индуктивности на единиџу длины здесь можно говорить благодаря тому, что әлектрическое и магнитное поля перпендикулярны оси $x$; поэтому как в электрическом, так и в магнитном поле можно выделить отдельные слои. Я утверждаю, что картина поля такова: $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$ остаются в плоскостях, перпендикулярных оси $x$ (электрическое и магнитное поля попрежнему не имеют $x$-компонент), и в каждой такой плоскости электрическое и магнитное поле связаны с $e_{1}$ и $I$ так же, как в статическом случае. При этом величины полей не зависят от $x$. До сих пор электростатическая и „токовая“ задачи были независимы. Я утверждаю, что теперь между ними существует определенная связь. Для произвольных скаляра $\varphi$ и вектора $\mathbf{A}$ имеем: Но $\operatorname{rot} \mathbf{H}_{0}=0$, а $ Так как и $\mathbf{E}_{0}$ не зависит от $t$, мы можем написать первое уравнение Максвелла в таком виде: Получается следуюший результат: чтобы удовлетворялось первое уравнение Максвелла, должно быть Аналогично доказывается, что второе уравнение Максвелла удо-влетворяется, если Таким образом, мы получим точное, строгое решение нашей полной задачи, если возьмем: где $\mathbf{E}_{0}$ и $\mathbf{H}_{0}$ – решения статических задач для соответствующего $\boldsymbol{x}$, а $e_{1}$ и $I$ удовлетворяют уравнениям (12) и (13). Единственная трудность при решении задачи состоит в том, чтобы найти $\varphi$.. В первую очередь нас интересуют токи. Дифференџируя уравнения (12) и (13) и исключая $e_{1}$, получаем: или где Для рассмотренного случая мы совершенно строго получили волновое уравнение. Скорость распространения равна $a$. Она не зависит от расстояния между проводниками; чтобы знать скорость распространения волн, не нужно знать в отдельности $L$ и $C$. Но если нужно знать энергию, то необходимо ввести емкость и индуктивность на единиџу длины. в таком виде: Введем посредством соотношения ввличину $V$. Тогда уравнения (16) принимают вид Мы пришли к тем же уравнениям, что и в прошлый раз, но тогда способ их получения был явно неправильный. Мы видим теперь, что понятие разности потенџиалов в некотором отношении сохраняет здесь свой смысл. Как уже говорилось, понятие разности потенџиалов, вообще говоря, неприменимо к переменным полям, потому что в таких полях интеграл $\int_{1}^{2} E_{g} d s$, взятый по различным путям между одними и теми же точками проводов, различен. Но в данном случае можно выделить класс путей такой, что $\int_{1}^{2} E_{8} d s$, взятый по любому из них между двумя любыми точками проводников, имеет одинаковое значение. Это – пути, лежащие в плоскостях, перпендикулярных направлению проводов. В рассмотренном нами случае можно говорить о емкости и индуктивности на единицу длины, рассматривая энергию отдельных слоев, перпендикулярных направлению проводов. Это имеет смысл лишь потому, что $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$ лежат в плоскостях, перпендикулярных проводам, и в этих плоскостях поля квазистатические. Мы выяснили в итоге, с какими условиями связана возможность простого, до-максвелловского рассмотрения. Если взять лехерову систему очень больших размеров, то мы имеем право пользоваться в качестве приближения теорией, относящейся к бесконечно длинной системе. Но как быть в случае простой антенны? Изложенная теория почти справедлива для многих практически важных случаев, например для горизонтальной антенны, находящейся на расстоянии от земли, малом по сравнению с ее длиной. Остается вопрос, как обстоит дело в случае антенны в виде так называемого открытого проводника (вибратора)? Этот вопрос требует особого рассмотрения. Мы убедились, что ряд важнейших физических проблем приводит к одномерному волновому уравнению. Нам нужно теперь заняться исследованием колебаний одномерных распределенных систем. Нам нужно вычитать из этих уравнений ответы на ряд физических вопросов. или, считая, что $q$-константа, и обозначая $E=p(x)$, Теория краевых задач и теория интегральных уравнений развивались на этом сравнительно простом примере. имеем: Уравнение системы с одной степенью свободы имеет џелый класс решений, содержащий две произвольные постоянные. Peшения уравнений в частных производных образуют еще гораздо более широкий класс. Чтобы сделать задачу определенной, нужно прежде всего задать краевые условия, вовсе не связанные с данным уравнением. Само уравнение лишь в очень малой степени задает вид решения. Уравнению с постоянными $p$ и , т. е. уравнению (20), удовлетворяет всякая функџия вида где $f_{1}$ и $f_{2}$-совершенно произвольные функции. Это-чрезвычайно общее решение. Оно почти ничего не говорит о характере проџесса. Но физика ставит вполне определенные задачи, причем здесь возможны гораздо более разнообразные постановки задач, чем в случае сосредоточенных систем, например, такие: Разнообразие физических задач, возникающих в случае распределенных систем, сказывается в следующем. Здесь $f(x)$ и $F(x)$ – заданные функции. Физическая система определена только тогда, когда, кроме дифферендиального уравнения, заданы условия на конџах. Кроме того, мы должны рассматривать определенный опыт, – он определяется начальными условиями. Можно ли найти такую функџию $y(x, t)$, которая удовлетворяет условиям (1)-(4)? Оказывается, что можно и что эта функџия-единственная. Если мы нашли какое-то решение, то мы нашли то, что нужно. Это очень облегчает дело. Доказательство единственности решения имеет поэтому очень важное значение.
|
1 |
Оглавление
|