Фейнмановские лекции по физике. 6. Электродинамика

Вопрос этот интересен, конечно, и сам по себе. По­добные принципы возбуждают воображение, и всегда стоит попробовать выяснить, насколько они общи. Но мне необхо­димо это знать и по более практической причине. Вместе с несколькими коллегами я опубликовал работу, в которой с по­мощью квантовой механики мы примерно рассчитали электри­ческое сопротивление, испытываемое электроном, пробираю­щимся сквозь ионный кристалл, подобный NaCl. [Статья об этом была напечатана в Physical Review, 127, 1004 (1962) и называется «Подвижность медленных электронов в полярных кристаллах».] Но если бы существовал принцип минимума, мы могли бы воспользоваться им, чтобы сделать результат на­много более точным, аналогично тому как принцип минимума емкости конденсатора позволил нам добиться столь высокой точности для емкости, хотя об электрическом поле наши сведе­ния были весьма неточными.

* Эта лекция никак не связана со всем остальным. Она прочитана лишь для того, чтобы отвлечься от основной темы и немного передохнуть. (Перевод над­писей, сделанных на доске, приведен около рисунков, над стрелками.— Прим. ред.)

Глава 20 РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА В ПУСТОМ ПРОСТРАНСТВЕ

§ 1. Волны в пустом пространстве; плоские волны

§ 2. Трехмерные волны

§ 3. Научное воображение

§ 4. Сферические волны

Повторить: гл. 47 (вып. 4) «Звук, Волновое уравнение»; гл. 28 (вып. 3) «Электромагнит­ное излучение»

§ 1. Волны в пустом пространстве; плоские волны

В гл. 18 мы достигли того, что уравнения Максвелла появились в полном виде. Все, что есть в классической теории электрических и магнитных полей, вытекает из четырех уравне­ний:

Когда мы свели все эти уравнения воедино, мы обнаружили новое знаменательное явление: поля, создаваемые движущимися зарядами, мо­гут покинуть источник и отправиться путешест­вовать в пространстве. Мы рассмотрели частный случай, когда внезапно включается целая беско­нечная плоскость. После того как в течение вре­мени t шелток, возникают однородные электри­ческие и магнитные поля, простирающиеся от плоскости на ct. Предположим, что по плоскости yz течет ток в направлении +yс поверхностной плотностью J. Электрическое поле будет иметь только y-компоненту, а магнитное — только z-компоненту. Величина компонент поля будет равна

(20.2)

для положительных x, меньших ct. Для боль­ших x поля равны нулю. Равные по величине поля простираются на то же расстояние от плоскости в направлении отрицательных y. На фиг. 20.1 показан график зависимости ве­личины полей от x в момент t. С течением времени «волновой фронт» в ct распространяется вдоль х с постоянной скоростью с.

Фиг. 20.1. Зависимость электри­ческого и магнитного полей от х через t сек после того, как была включена заряженная плоскость.

Теперь представим себе такую последовательность событий. На мгновение мы включаем ток единичной силы, а затем вне­запно увеличиваем его силу втрое и поддерживаем его на этом уровне. Как же будут теперь выглядеть поля? Это можно узнать таким образом. Во-первых, надо представить ток с единичной силой, включенный при t=0 и больше не менявшийся. Тогда поля при положительных х будут иметь вид, представленный на фиг. 20.2, а. Затем надо задать себе вопрос, что произойдет, если в момент t₁ включить постоянный ток силой в две единицы?

В этом случае поля станут вдвое больше, чем прежде, но отойдут по х только на промежуток c(t-t₁) (фиг. 20.2, б). Складывая эти два решения (по принципу суперпозиции), мы получаем, что сумма источников — это ток силой в одну единицу с момента нуль до момента t₁и ток в три единицы в более позд­ние моменты. В момент t поля меняются вдоль х так, как пока­зано на фиг. 20.2, в.

Возьмем теперь более сложную задачу. Рассмотрим ток, имевший сначала силу в одну единицу, а затем достигший силы в три единицы и выключенный. Каковы будут поля от такого тока? Решение можно получить точно так же, как и раньше,

Фиг. 20.2. Электрическое поле плоскости с током.

а — одна единица тока включена в мо­мент t=0; б—две единицы тока вклю­чены в момент t=t₁; в — суперпозиция а и б.

Фиг. 20.3. Если сила источника тока меняется так, как на рисунке (а), то в момент t электрическое поле как функция от х приобретает дру­гой вид (б).

т. е. складывая решения трех разных задач. Сперва найдем поля постоянного тока единичной силы (эту задачу мы уже ре­шали). Потом узнаем поля от тока двойной силы. И, наконец, возьмем решение для полей токов с силой в минус три единицы. Сложив все три решения, мы получим ток силой в одну единицу от t=0 до какого-то более позднего момента, скажем, до t₁, затем ток силой в три единицы до момента t₂, а потом ток, рав­ный нулю, т. е. выключенный. График зависимости тока от времени показан на фиг. 20.3, а. Складывая три решения для электрического поля, мы видим, что его изменения с рас­стоянием х в данный момент t подобны изображенным на фиг. 20.3, б. Поле в точности отображает собой ток. Распре­деление поля в пространстве есть точное отражение изменений тока со временем, но только нарисованное задом наперед. По мере того как проходит время, вся картина перемещается наружу со скоростью с, так что получается ломтик полей, который движется к положительным х и хранит в себе всю историю перемен тока. Если бы мы находились где-то на расстоянии многих километров, мы могли бы лишь по измене­нию электрического или магнитного поля безошибочно расска­зать, как менялся ток в источнике.

Заметьте также, что даже после того, как вся деятельность в источнике прекратилась и все заряды исчезли, а токи сошли на нет, наш ломтик полей продолжает свое путешествие через пространство. Получается распределение электрических и маг­нитных полей, которое существует независимо от токов и за­рядов. Это и есть тот новый эффект, который следует из полной системы уравнений Максвелла. Мы можем, если нужно, пред­ставить только что проделанный анализ в строго математиче­ской форме, написав, что электрическое поле в данном месте и в данное время пропорционально току в источнике, но не в то же время, а в более ранний период [t-(x/с)]. Можно написать

Вас удивит, если я скажу, что мы уже выводили это урав­нение раньше (с другой точки зрения), когда говорили о теории показателя преломления. Тогда нам нужно было представить себе, какие поля создаст слой колеблющихся диполей в тонком плоском диэлектрике, если диполи приводятся в движение элек­трическим полем падающей электромагнитной волны. Задача наша состояла в расчете комбинированного поля начальной волны и волн, излучаемых колеблющимися диполями. Как же мы смогли тогда рассчитать поля, создаваемые движущимися зарядами, не зная уравнений Максвелла? Мы тогда приняли в качестве исходной (без вывода) формулу для полей излуче­ния, создаваемых на больших расстояниях от ускоряемого то­чечного заряда. Если вы заглянете в гл. 31 (вып. 3), то увидите, что выражение (31.10) — это как раз наше выражение (20.3), которое мы только что написали. Хотя прежний наш вывод относился только к большим расстояниям от источника, теперь мы видим, что тот же результат верен и вблизи источника.