Первая концепция объединения нолей

Магнитное поле постоянных токов или равномерно движущихся зарядов имеет неизменные во времени параметры. В этом смысле оно статично, как и электрическое поле неподвижных зарядов. Исчерпывается ли многообразие полей только статическими полями? Существуют ли в природе динамические поля Е и В, переменные во времени и пространстве?

Если они существуют, то их появление должно наблюдаться в динамическом процессе изменения состояния движения электрического заряда, то есть в процессе изменения скорости заряженной частицы, её ускорения. Попробуем кое-что узнать об особенностях динамического электрического поля, не прибегая к сложным математическим выкладкам, пользуясь только одним фундаментальным положением: источником линий напряженности Е является электрический заряд.

В процессе ускорения ранее неподвижного заряда изотропное поле должно перейти к распределению «сжатых», как веер, линий напряженности поля движущегося заряда (рис. 58). Переход должен происходить так, чтобы линии не обрывались и число их не изменялось. Рассмотрим схему переходного процесса (рис. 58).

Рис. 58. Излом линий поля Е

Схема представляет собой как бы мгновенный снимок состояния всех линий Е в пространстве для момента времени t после начала движения. Оно начинается с того, что за интервал dt неподвижный заряд ускорился до значения V = const, и далее с такой скоростью перемещается прямолинейно.

Сигнал об изменении состояния движения заряда распространяется со скоростью света с. За время t радиус области, в которой поле от изотропного изменилось до «сжатого», достигает величины R = ct. За пределами этой области все еще сохраняется центрально-симметричная конфигурация линий Е. Так как число линий не меняется и они не пересекают друг друга, то мы должны соединить соответствующие стрелки (хотя бы по прямой, в линейном приближении).

Излом линий происходит на самом деле в тонком шаровом слое толщиной dR = cdt на границе двух статических полей. Переходный динамический слой «стирает» со скоростью света потенциальное статическое поле неподвижного заряда и оставляет за собой непотенциальное поле равномерно движущегося заряда.

В чем принципиальное отличие динамического поля от статического?

Обратите внимание, для статических полей вектор Е всегда направлен по радиус-вектору от заряда до точки наблюдения. А в переходном слое обязательно появляется компонента, перпендикулярная радиус-вектору (иначе излом не получится). Очевидно, что свойства такого поля нельзя свести к свойствам статических полей, это новый вид поля. Таковы выводы качественного анализа.

Количественное описание динамического поля дал английский физик Дж. К. Максвелл.

Для читателей, мало знакомых с математическими операциями дивергенции и ротора, скажем, что операция дивиргенции дает количественную величину источника поля, а ротора — показывает причину закрученное™, вихревого характера поля.

Для вакуума, где нет вещественных носителей заряда и токов, Максвелл теоретически получил следующую систему дифференциальных уравнений.

Здесь обозначено:

Е и Н — векторы напряженностей полей,.

D и В — векторы индукции электрического и магнитного полей.

Прежде всего, эта система заслуживает эстетической оценки: она красива с математической точки зрения. Л. Больцман сказал о ней словами Фауста из одноименного произведения Гете:

Не Бог ли начертал эти письмена?

Красота появляется как результат симметрии, завершенности и громадной концентрации рационального смысла. Какого же?

• 1. Достаточно только одного условия: чтобы В и D были переменными во времени, для существования самостоятельного электромагнитного поля. Однажды возникшее поле с dB/d tФ 0 порождает переменное поле Е. В свою очередь, dD/d 0 обусловливает продолжение — появление переменного магнитного поля. И так далее и далее по пространству.
• 2. Переменные Е и В являются полностью равноправными составляющими общего электромагнитного динамического поля. В нем линии напряженности охватывают линии индукции и наоборот, без разрывов.
• 3. Плоскости, в которых лежат кольца линий Е и В, взаимно перпендикулярны. Для пояснения рассмотрим схему трех соседних замкнутых линий (рис. 59).

Рис. 59. Расположение линий вихревых полей

Различие в знаках при производных (минус в одном случае и плюс в другом) не является случайным фактом. Наоборот, это следует из закона сохранения энергии. В области, где магнитное поле достигает максимума, линии векторов электрического поля имеют противоположные направления, их суперпозиция дает в результате нулевое значение Е. В тех областях, где напряженность электрического поля достигает максимального значения, индукция магнитного поля В стремится к нулю. Это обеспечивает последовательный переход энергии магнитного поля в энергию электрического и наоборот.

Легко предвидеть, что периодическое изменение в пространстве и во времени электрической и магнитной составляющих будет описываться периодическими функциями синуса и (или) косинуса, задолго до Максвелла уже использованными для описания волн. Действительно, простой подстановкой можно убедиться, что эти функции удовлетворяют системе уравнений Максвелла.

Таким образом, можно утверждать, что Максвелл сделал открытие — он теоретически предсказал новый вид поля — электромагнитные волны. Впоследствии их экспериментально наблюдал Г. Герц. Скорость их распространения оказалась равна скорости света, что стало важным аргументом в пользу волновой природы последнего.

Классическая электродинамика Максвелла позволила получить выражение для мощности излучения электромагнитных волн ускоренно движущимся зарядом. Оказалось, что зависимость от величины ускорения очень сильная — пропорционально второй степени ускорения!

В современной физике теория Максвелла используется во многих приложениях электродинамики, в частности для расчета спектров тормозного рентгеновского или синхротронного излучения электрона.

В первом случае оно возникает в результате резкого торможения электронов, падающих на поверхность твердого тела. Синхротронное излучение — эго следствие ускорения центростремительного. Оно возникает при движении электрона по круговой орбите в камере синхротрона и направлено по образующей конуса, осью которого служит касательная к орбите электрона. Потеря энергии на синхротронное излучение препятствует дальнейшему ускорению — кинетическая энергия, полученная при ускорении, переходит в энергию излучения электромагнитных волн.

Здесь теория Максвелла выполняется с высокой точностью, позволяя рассчитать и сравнить с экспериментальным спектральный состав синхротронного излучения.

Однако для описания движения электрона в атомах она не пригодна, так как предсказывает непрерывные потери энергии на излучение волн. Атом же излучает дискретно, только при переходах из одного энергетического состояния в другое.