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 Мы перешли в прошлый раз к вопросу об электрических колебаниях в системе из параллельных проводов. Мы считаем проводники идеальными. В этом случае внутри проводников и, кроме того, на поверхности проводников вектор $\mathbf{E}$ 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 โинтеграл 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 имезно 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 помошью 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 стащионарные (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 кондентрического 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 цилиндра. 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 џилиндра 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, входяџие в наши уразнения, 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 потенџиал: 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 әлектрической? 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 $\left(\mathbf{E}_{0}, \mathbf{H}_{0}\right)$ равно нулю, т. е. $\mathbf{E}_{0} \perp \mathbf{H}_{0}$. Но мы доказали, что $\mathbf{E}_{0}$ перпендикулярно к поверхности проводника. Следовательно, $\mathbf{H}_{0}$ тангендиально 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 длнны 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 поверхность $A B C D$ (рис. 146), где $A B=C D=1$, мы можем представитғ з таком виде: где $L$ по определению – индуктивность на единиџу длины. Заменяя $\mathbf{H}$ через $\mathbf{H}_{0}$, а интеграх по поверхноРис. 146. сти-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 хак 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 $x$ (әлектрическое 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 удовлетворяется, 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 $x$, 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 иы 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 величину $V$. 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 $\int_{1}^{2} E_{8} d s$, взятый по различным путям между одними и теми же точками проводов, различен. Но в данном случае можно выделить класс путей такой, что $\int_{1}^{2} E_{\varepsilon} d s$, взятый по любому из них между двумя любыми точками проводников, имеет одинаковое значение. Это-пути, лежащие в тлоскостях, 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 өтих 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 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 систеи, например, такие: Разнообразие физических задач, возникающих в случае распределенных систем, сказывается в следующем. Здесь $f(x)$ и $F(x)$ – заданные функџии. Физическая система определена только тогда, когда, кроме дифференџиального 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
|