Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская
Фарадей описывал его при помощи электрических силовых линий, идущих от одной границы диэлектрика к другой. Количество (густота) этих силовых линий отображает «силу» — напряженность электрического поля, зависящую от напряжения батареи, от толщины диэлектрика и от его «сорта».
В уравнениях, написанных Максвеллом, эта «сила» отличается от напряженности электрического поля в пустом пространстве постоянным множителем, характеризующим данный диэлектрик. По аналогии с магнитной проницаемостью, связывающей напряженность магнитного поля в пустоте с магнитной индукцией в железном сердечнике, этот множитель называют диэлектрической проницаемостью, а «силу» электрического поля внутри диэлектрика — электрической индукцией.
Опыт с конденсатором можно продолжить. Шаг первый: отключают металлические проводники от батареи. При этом в цепи ничего не происходит. Шаг второй: соединяют между собой концы этих проводников. Если опыт проводят в затемненной комнате и напряжение батареи достаточно велико, то, за мгновение до соприкосновения проводников, можно увидеть искру. В освещенной комнате искру заметить трудно, но можно услышать слабый треск — микрогром от микромолнии. Стрелка гальванометра при этом отклониться, как от толчка и затем медленно возвратится к нулю. После этого ток прекратится, а заряд конденсатора исчезнет.
Ток смещения, возникающий в диэлектрике, это реальность. Он является продолжением тока проводимости, текущего по проводам.
Проследим еще раз за этим важнейшим опытом, учитывая роль тока смещения.
При взгляде на цепь, в которой батарея соединена проводами с конденсатором, кажется, что цепь не замкнута. Но непосредственно после того, как батарея была присоединена к цепи, в ней на короткое время возникает ток. В течение этого времени происходит смещение зарядов в диэлектрике, образующее ток смещения. По проводам идет ток проводимости, а сквозь конденсатор проходит ток смещения. Включив в эту цепь гальванометр, можно убедиться в том, что ток в ней максимален в момент включения батареи и убывает до нуля за короткое время, зависящее от характеристик всех ее элементов — батареи, конденсатора и соединительных проводов.
Ток во всей цепи становится равным нулю, когда прекращается ток смещения в диэлектрике, расположенном между обкладками конденсатора.
Максвелл пишет: «… изменение смещения эквивалентно току, причем этот ток должен быть учтен в уравнениях»… Максвелл поясняет: «Электрическое смещение состоит в противоположной электризации молекулы или частицы тела… Изменения электрического смещения должны быть добавлены к токам… для того, чтобы получить полное движение электричества».
Учет тока смещения в диэлектрике сделал группу уравнений, связывающих электрические процессы с изменением во времени магнитной индукции, похожей на вторую группу, связывающую магнитные процессы с изменением во времени электрической индукции.
После этого на первый план вышел законный вопрос: как при помощи уравнений описать опыты Фарадея с цепью, содержащей конденсатор, когда между его обкладками нет диэлектрика?
Этот вопрос потребовал глубокого раздумья. Убеждение в правильности идей Фарадея, в безупречности его опытов подсказало простой ответ. В случае, когда между обкладками конденсатора нет диэлектрика, там остается воздух. Но этот ответ не полон, конденсатор можно поместить под стеклянный колпак и откачать из него воздух.
Опыт показывает, однако, что свойства конденсатора, пластины которого разделены воздухом, не изменяются заметным образом после того, как воздух откачан и между пластинами оказывается пустота.
Значит ток смещения распространяется и там, где нет молекул. Максвелл был сыном своего времени. Он не мог думать о процессах, протекающих в пустоте. Любой процесс должен иметь носителя.
В этом случае Максвелл не должен был придумывать что-то новое. Он мог следовать за своим кумиром — Фарадеем. Фарадей считал носителем электрических и магнитных процессов эфир. Он представлял такие процессы при помощи силовых линий и считал, что эти линии отображают реальные, но не видимые натяжения эфира.
Максвелл сделал еще один шаг по пути, указанному Фарадеем. Он счел, что эфир способен быть носителем токов смещения. Максвелл не строил гипотез о том, что смещается в эфире, каков «механизм» прохождения токов смещения сквозь эфир. Ведь в электромагнитном эфире Фарадея не происходят механические процессы. Фарадей считал, что электрические и магнитные силовые линии отображают натяжение, возникающее в эфире под действием зарядов или токов. Возникновение и перемещение этих силовых линий казались ему совершенно наглядными, не нуждающимися в механических моделях. Максвелл пришел к выводу о том, что и токи смещения в эфире не нуждаются в механических моделях.
Это было столь радикальным шагом, что большинство ученых того времени не могло последовать за Максвеллом. Они кое-как мирились с силовыми линиями Фарадея, но считали их заменой словам, а не уравнениями, простыми рисунками.
Только Максвелл увидел в них эквивалент математических символов. Осуществив перевод идей Фарадей на язык математики он нашел в ней место для токов смещения в диэлектрике. Он нашел место в уравнениях и для токов смещения в эфире.
Теперь уравнения фиксировали, что все токи, изменяющиеся во времени, являются замкнутыми токами. В проводах эти токи соответствуют обычным движениям зарядов, в диэлектрике они возникают путем смещения зарядов в пределах каждой молекулы диэлектрика, в пустоте они представляют собой ток смещения в эфире.
Именно введенные Максвеллом токи смещения в эфире стали камнем преткновения между созданной им электродинамикой и его современниками, стремившимися сводить все физические явления к механическим процессам. Но Максвелл, несмотря на отсутствие признания, продолжал двигаться своим путем.
ВОЛНЫ
Любой человек стремится увидеть и понять закономерность, — нечто простое, скрытое в сложных процессах и явлениях. Там, где в дело вмешивается математика, одним из путей упрощения является исключение из уравнений каких-либо переменных величин.
Максвелл обратил внимание на то, что переменные величины входят в его уравнения попарно. Если есть член, отображающий электрическое поле, то всегда имеется член, описывающий изменение магнитного поля со временем. И наоборот, в уравнения для магнитного поля входит изменение во времени электрического поля.
Нечто подобное встречал каждый из нас в школе на уроках алгебры, знакомясь с парами уравнений, содержащих по две переменные величины, связанные между собой этими уравнениями. Вспомним и указание учителя — пожертвовать одним из уравнений для того, чтобы исключить одну из переменных величин в оставшемся уравнении. А после этого думать о том, как решить это уравнение. Конечно, Максвелл поступил именно так. Он пожертвовал одним из уравнений для того, чтобы во втором уравнении осталось только электрическое поле. Но совершенно аналогично можно пожертвовать вторым уравнением, чтобы оставить в первом только магнитное поле.
И тут свершилось чудо. Оба полученных таким образом уравнения оказались близнецами. Если в первом — изменение электрического поля
