Э. Парселл - Электричество и магнетизм, страница 4

Чтобы оцен!Ыь этот факт, следует дать тщательное определение величины заряда в системе с движущимися зарядами. Основной целью главы является внесение полной ясности в представление об электрическом поле заряда, движущегося с постоянной скоростью. Это достигается преобразованием электрического поля к движущейся системе координат. Здесь необходимо подробное обсуждение понятия поля.

Пока студент не поймет доказательства в разделе 5.5, он будет относиться с недоверием к выноду основного закона преобразования, который будет ему казаться отвлеченным частным случаем. Электрическое поле релятивистской частицы оказывается интересной неожиданностью для большинства студентов— даже для наиболее рассудительных, которые скорее ожидают «запа- 13 эдывающего» поля. Теперь для изложения проблемы излучения требуется только небольшое отступление и, хотя мы оставили этот вопрос до 111 тома, можно в этом месте показать студентам, как возникает синхротронное н тормозное излучение (см.

задачу 5.8). Материал раздела 5.8, изложение которого занимает довольно большое время, можно значительно сократить, если студенты изучали преобразование сил в 1 томе, гл. 12. В последнем разделе появляется сила, зависящая от скорости. Подробности вычислений менее важны, чем понимание идей вывода.

Здесь следует подчеркнуть простоту и точность результата. Необязательных разделов иет. Глава 6 (Магнитное поле). Снова рассматривается понятие магнитного поля В и демонстрируются его источники. Интегральное соотношение ~ В г(з =- 4л1,'с, выведенное для прямых нитей тока, просто постулируется для постоянных токов вообще. (Дальнейшее рассмотрение этого вопроса привело бы нас к ускоренно движущимся зарядом.) В этой главе мы вводим, по ряду причин, векторный потенциал. Здесь и позже, в гл. 10, даны простые применения этого понятия. Любой студент, занимающийся физикой, должен познакомиться с ним. Несмотря на то, что в тексте этот вопрос не поднимается, преподавателю следует указать на различие между осевым и полярным вектором, и мы рассматриваем поля В и В в веществе в соответствии с существенным различием в симметрии между источниками электрического и магнитного полей.

Однако основной упор в этой главе должен быть сделан па само магнитное поле. Законы преобразования для полей в вакууме, которые теперь получаются вполне естественно, можно проиллюстрировать с помощью нескольких примеров. Например, рекомендуется проработать и обсудить со студентами задачу 6.15. Разделы 6.8 и 6.9 необязательны (однако первый параграф раздела 6.9 может помочь разъяснению важного пункта), и их можно рекомендовать для дополнительного чтения.

Необязательные разделы: 6.8, 6.9. Глава 7 (Электромагнитная индукция и уравнения Максвелла). Перед этой главой следует показать несколько опытов. Эквивалентность, обсуждаемую в разделах 7,2, 7.3 н 7.4, можно сделать совершенно очевидной с помощью чувствительного баллистического гальванометра, движущихся катушек и магнитов. (Не останавливайтесь перед введением постоянных магнитов, несмотря на то, что в тексте о ннх не упоминается до гл.

101) В этой главе нет специальных задач, но возможности для демонстрации явления индукции беспредельны. В двух местах наше изложение может показаться поверхностным и поспешным: !) Раздел 7.8, где рассмотрены затруднения с самоиндукцией. Из-за них мы сначала ввели понятие о взаимоиндукции. 2) Раздел 7.12, где обсуждается роль тока смещения. Наш опыт показывает, что эти вопросы, небрежно рассмотренные, возможно, будут беспокоить вдумчивого студента; следовало бы уделить им больше внимания. Как только студенты познакомятся с уравнениями Максвелла, трудно избавиться от искушения сообщить им об электромагнитных волнах, и в последней части раздела 7.13 мы несколько вторгаемся в область Н! тома.

Необязательные разделы: 7.7, последняя часть 7.13. Глава 8 (Цепи переменного тока). В этой главе рассматриваются только элементарные основы теории переменного тока. Надеемся, что это скромное введение дополнит практические знания студентов, полученные в лаборатории. Упражнения с комплексными числами подготовят студента для работы над Н1 томом. Преподаватель, если позволит время, может расширить это изложение, воспользовавшись соответствующими разделами. Он может пропустить эту главу, если его студенты собираются изучать цепи переменного тока более подробно в курсе электротехники. В этом случае раздел 8.! должен изучаться как часть гл. 7, где оп логически следует за разделом 7.10. Необязательных разделов нет (или можно отказаться от всей главы, за исключением раздела 8.1).

Глава 9 (Электрические поля в веществе). При отсутствии тщательного плана на гл. 9 и 1О может остаться мало времени. Для чтения этих двух глав по расписанию предназначается больше одной пятой части времени — три или лучше четыре недели из семестра в 14 недель.

Здесь нашей основной целью является познакомить студента с электрическим строением вещества; формальная теория макроскопического поля стоит на втором плане. Есчи остается мало времени, можно отказаться от классического примера диэлектрического шара в пользу наведенных н постоянных молекулярных днполей (длинный раздел 9.13, однако, следует пропустить при первом чтении, рекомендуя его только хорошо подготовленным и интересующимся студентам).

Необходимо как можно больше использовать знания студентов по химии, как бы скромны они ни были. Этот раздел курса в равной мере нужен физикам и химикам, а его основы имеют большое значение для будущих специалистов по молекулярной биологии и физиологов. Используйте его в духе Дебая) Необязательные разделы: 9.8, 9.10, 9.11, 9.13, 9,17, Глава 10 (Магнитные поля в веществе). Эта глава требует несколько меньше времени, чем предыдущая гл. 9, несмотря на то, что, как и последняя, открывает много возможностей для знакомства студентов с рядом чрезвычайно интересных явлений.

Если у преподавателя мало времени, можно перед подробным классическим анализом диамагнетизма, приведенным в разделе 10.5, начиная с уравнения (23), изложить только результаты разделов 10.3 и 10.4, не касаясь выводов. Можно также сэкономить время на вопросе о макроскопических полях в веществе, к которому студент может вернуться несколько позднее, когда ему непосредственно понадобятся такие поля. Наша трактовка макроскопического магнитного поля проводится параллельно изложению вопроса 15 об электрическом поле в гл. 9. В обоих случаях мы избегаем использования гипотетических «полостей».

Сводка основных определенийнарнс. 10.19 должна помочь преподавателю организовать свое изложение. Б д и н и ц ы. В большей части этой книги мы пользуемся гауссовской системой единиц СГС и, где необходимо, практическими единицами (вольт, ампер, кулон и ом). Мы избегаем введения абсолютного ампера, в наших основных единицах ток измеряется в ед. СГСЭ~/сея. Первичным магнитным полем является В. Оно измеряется в гауссах, и мы не называем его магнитной нндукцией. В приложении даны соотношения между единицами международной системы СИ и применяемыми нами единицами, а также приведена таблица основных физических постоянных. глдпл ~ ЗЛЕК1РОСТДТИКД 1.1. Электрический заряд Первым исследователям электричество казалось удивительным явлением. Чтобы получать из тел «неуловимый огонь>, как его иногда называли, приводить их в состояние интенсивной электризации, создавать постоянное течение тока, требовалась большая изобретательность, Казалось, что обычные явления природы, за исключением молнии, например, замерзание воды, рост дерева, не имеют отношения к странному поведению наэлектризованных предметов.

Теперь мы знаем, что физические и химические свойства вещества — от атома до живой клетки — в значительной степени объясняются электрическими силами. Эгнм знанием мы обязаны Амперу, Фарадею, Максвеллу н многим другим ученым девятнадцатого столетия, открывшим природу электромагпетнзма, а также физикам и химикам двадцатого столетия, разгадавшим атомное строение вещества. Классическая теория электромагнетизма имеет дело с электрическими зарядами, токами и нх взаимодействиями в предположении, что все эти величины можно измерить независимо друг от друга, с неограниченной точностью.

Здесь термин «классическая» означает просто «нс квантовая». Квантовые законы с пх постоянной й игнорируются в классической теории электромагнетизма, так же как в обычной механике. Действительно, классическая теория была почти закончена до открытия Планка. Опа не потеряла своего значения и до сих пор. Ни переворот в наших представлениях, произведенный квантовой физикой, ии развитие специальной теории относительности пе затмили света уравнений электромагнитного поля, написанных Максвеллом сто лет назад.

Конечно, классическая теория была основательно подкреплена экспериментом и поэтому ее можно было применять без малейшего опасения к таким обьектам, как катушки, конденсаторы, переменные токи и, в конце концов, радио- н световые волны. Но даже столь !7 большой успех не гарантирует ее справедливости в других областях, например, внутри молекулы. Сохранившееся в современной физике значение классической теории электромагнетнзма объясняется двумя фактами. Во-первых, специальная теория относительности не требует пересмотра классического электромагпетизма. Исторически специальная теория относительности выросла из классической электромагнитной теории и связанных с ней экспериментов.

Действительно, максвелловские уравнения поля, созданные задолго до работ Лоренца и Эйнштейна, полностью совместимы с теорией относительности. Во-вторых, оказалось, что квантовый характер электромагнитных сил не сказывается даже прн расстояниях, меньших 1О-" см, что в сто раз меныце размеров атома. Отталкивание и притяжение частиц в атоме н листочков электроскопа описыва>отея одними и теми >ке законами, несмотря на то, что поведение атомных частиц под действием электрических сил может предсказать только квантовая механика. Для меньших расстояний имеет место довольно успешное слияние электромагнптной и квантовой теорий, называехюе квантовой электродннамикой, которая, по-видимому, согласуется с экспериментом вплоть до самых малых расстояний, исследованных к настоящему времени.

Мгя предполагаем, что читатель знаком с элементарными понятиями теории электричества, н не собираемся приводить все эксперименты, которые доказывают существование электрического заряда, илп все доказательства электрического строения вещества. С другой стороны, мы хотим тщательно рассмотреть экспериментальные основы главных законов, от которых зависит все остальное. В этой главе мы будем заниматься изучением физики неподвижных электрических зарядов — электростаьппкой, Фундаментальным свойством электрического заряда является, конечно, его существование в двух видах, которые уже давно названы положительным и отрицательным зарядами. Установлено, что все заряженные частицы можно разделить на два класса, причем все члены одного класса отталкивают друг друга, притягивая в то же время члены другого класса.