Глава VIII. Движение электромагнитной энергии

§ 118. Электромагнитное поле 400

§ 119. Основные уравнения электромагнитного поля 402

§ 120. Общий характер дифференциальных уравнений электромагнитного поля 408

§ 121. Распространение электромагнитной энергии. Плоская волна 409

§ 122. Скорость распространения электромагнитной энергии 414

§ 123. Опытные данные, подтверждающие теорию Максвелла 416

§ 124. Опыты Герца 419

§ 125. Механизм движения электромагнитной энергии. Вектор Пойнтинга 426

§ 126. Распространение тока в металлических массах. Поверхностный эффект 433

Приложение. Размерности электрических и магнитных величин 444

Предметный указатель 449

 

ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ.

Настоящее издание повторяет почти без изменений второе из­дание. Внесены лишь некоторые мелкие исправления, и в качестве введения помещена речь, читанная мною в торжественном годовом собрании Академии Наук СССР 2 февраля 1933 г., — „Основные воззрения современной физики". Содержание этой речи может быть рассматриваемо как добавочное разъяснение принятых мною в этом курсе принципиальных физических установок.

Август 1933 г.

В. Миткевич.

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ.

В связи с выпуском второго издания курса „Физические ос­новы электротехники" я считаю полезным сказать несколько слов для того, чтобы разъяснить мотивы, руководившие мною как в отношении общего характера этого курса, так и в отношении его плана.

Что касается общего характера такой книги, как физические основы технической дисциплины, то, по моему мнению, целесо­образно более или менее строгое проведение некоторой определен­ной точки зрения на природу физических явлений, с которыми мы имеем дело в данной дисциплине. Это не только желательно, но даже необходимо, ибо таким образом можно помочь изучающему связать в одно, до известной степени стройное целое, всю сумму получаемых сведений. В противном случае ему трудно будет со­знательно оперировать на практике с приобретенными формаль­ными знаниями, в особенности в случаях, когда приходится сталкиваться с обстановкой, несколько отличающейся от привычной, нормальной.

Я полагаю, что выбор общей точки зрения, которую следует принять как базу при изложении курса, естественно вытекает из некоторого анализа наших основных физических представлений. В этом отношении наиболее простой и надежный путь состоит

 

в том, чтобы попытаться ответить на нижеперечисленные вопросы сформулированные применительно к преследуемой нами цели. Совокупность четких ответов на все эти вопросы в полной мере освещает сущность наших физических представлений.

Вопрос 1. Может ли физическое явление) протекать вне про­странства и времени?

Вопрос 2. Может ли физическое явление протекать без всякого участия в нем какой-либо физической субстанции, представляющей собою носителя свойств, обнаруживаемых в явлении?

Вопрос 3. Может ли физическая субстанция не иметь простран­ственного распределения?

Вопрос 4. Может ли физическая субстанция в целом или от­дельные ее части, сколь бы малы они ни были, не занимать ни­какого объема?

Вопрос 5. Можно ли рассматривать энергию как нечто, не являющееся ни самостоятельной физической субстанцией, ни каким-либо состоянием или свойством некоторой физической субстанции?

Вопрос 6. Может ли энергия (в том или ином ее понимании) не иметь пространственного распределения?

Вопрос 7. Может ли какая-либо физическая субстанция или энергия возникнуть в некотором объеме из ничего или превратиться в ничто?

Вопрос 8. Может ли физическая субстанция или энергия воз­никнуть в объеме, в котором их не было, или прекратить суще­ствование в объеме, в котором они перед тем были, иначе, как путем пространственного перемещения извне внутрь этого объема или изнутри этого объема наружу?

Вопрос 9. Может ли некоторое тело (например, наэлектризован­ное) притти в движение в связи с приближением к нему другого тела (также, например, наэлектризованного), если при этом энергия ни в каком виде не притекает извне в объем, занимаемый первым телом?

Вопрос 10. Может ли точка зрения „actio in distans", т. е. „действия на расстоянии", рассматриваться не как математический метод, пригодный для формального описания какого-либо физи­ческого явления, а как основное воззрение, имеющее непосредствен­ное отношение к существу физического явления?

Ответы на вышеперечисленные 10 вопросов предопределяют собою те принципиальные точки зрения, с которыми мы подходим к изучаемым физическим явлениям.

Ответ ,,да" на любой из 10 вопросов или недостаточно катего­рический ответ „нет" хотя бы на один из этих вопросов неизбежно приводит нас к допущению действия на расстоянии в качестве первичного физического явления. Отсюда берет начало один из путей рассмотрения природы явлений. Отсюда же может,

 

 

между прочим, проистекать и представление о реальном физическом мире как о пространстве, в котором соответственным образом рас­пределены материальные точки, векторы сил и тому подобные, по существу, формально-математические символы. Ньютон широко пользовался точкой зрения действия на расстоянии при математи­ческом рассмотрении явлений тяготения, но он считал ее совершенно неприемлемой и просто абсурдной в применении к анализу того, что происходит в действительности (см. § 1 настоящей книги). О. Д. Хвольсон в томе I своего Курса Физики в следующих словах выражает мнение по этому же поводу: „Термином „actio in distans", т. е. „действие на расстоянии", обозначается одно из наиболее вредных учений, когда-либо господствовавших в физике и тормозивших ее развитие..."

Категорический и безоговорочный ответ „нет" на все 10 вопро­сов приводит нас к утверждению, что какие бы то ни было взаимо­действия в природе совершаются не иначе, как при непосредствен­ном участии среды, окружающей действующие друг на друга фи­зические центры или физические системы. В области явлений маг­нитных и электрических мы таким путем приходим к фарадее-максвелловской точке зрения, которая и проводится в настоящем курсе с возможно большей последовательностью. Здесь, конечно, нет никакого противоречия тому, что понятия и термины, вытекаю­щие из точки зрения действия на расстоянии, мы используем в математических формулировках и выводах, когда это оказывается практически целесообразным, подобно, например, мнимым коли­чествам, которые мы применяем, между прочим, в теории переменных токов.

Итак, я считаю точку зрения фарадее-максвелловскую един­ственно приемлемой в самом широком смысле этого слова; точку же зрения действия на расстоянии рассматриваю как допустимую только в области формально-математических построений.

Совершенная непримиримость этих двух точек зрения в отноше­нии анализа природы магнитных и электрических явлений в полной мере выявилась во время трех диспутов о природе электрического тока, имевших место в 1930 году в стенах Ленинградского Поли­технического Института (см. стенографический отчет в журнале „Электричество", 1930, №№ 3, 8, и 10). Вышеперечисленные 10 во­просов явились именно результатом этих диспутов и сформулиро­ваны мною с целью возможно глубже вскрыть истинные корни обнаружившихся разногласий.

Переходя к вопросу о принятом мною расположении материала, я полагаю, что центром тяжести курса „Физические Основы Электротехники" должно быть рассмотрение свойств электромагнит­ного комплекса вообще и того электромагнитного явления, которое мы называем электрическим током, в частности. Магнитное и электрическое поля, как таковые, являются лишь отдельными сторонами всякого электромагнитного комплекса, и изучение их следует, по моему мнению, вести в том порядке, который опре­деляется их относительным значением в явлении электрического

 

 

тока. Поэтому я и начинаю курс с рассмотрения физических свойств магнитного потока. Действительно, мы можем представить себе электрический ток в цепи при полном отсутствии электродвижущей силы, при отсутствии электрических сил в объеме проводника и каких бы то ни было разностей потенциалов между отдельными его сечениями, при отсутствии, наконец, обычного течения электро­нов в объеме проводника. Я имею в виду случай постоянного тока в сверхпроводящей цепи, т. е. при r=0, когда все точки провод­ника имеют один и тот же потенциал и когда значения магнитной силы во всех точках внутри проводника строго сохраняются та­кими же, какими были до возбуждения тока в сверхпроводящей цепи (последнее вытекает из теории Максвелла).

Единственным, неизменным и безусловно всегда наблюдаемым признаком электрического тока является его магнитный поток само­индукции. Представить себе электрический ток, не связанный с магнитным потоком, мы абсолютно не в состоянии. Быть может, даже наши обычные представления об электрическом токе, отраженные и в исторически сложившейся терминологии, ошибочны, как это именно и предполагал Фарадей. Электрокинетическая энергия тока, протекающего по некоторой цепи, никоим образом не может быть подсчитана, если мы будем иметь дело только с объемом проводника. Наоборот, эта энергия полностью определяется путем рассмотрения того процесса, который совершается, вообще говоря, вне проводника, и она в точности равна как раз магнитной энергии потока самоиндукции.

Сказанного, я полагаю, достаточно для обоснования принятого мною плана расположения материала в настоящем курсе. Можно добавить еще лишь следующее.

Обширная область электромеханики, интересы которой я особенно имел в виду, является по существу областью практических при­ложений физических свойств магнитного потока. Именно магнитный; поток играет роль основного фактора во всех электромеханических устройствах, и при всех расчетах, к ним относящихся, мы оперируем с магнитным потоком, а не с электронами, текущими в объеме проводника в случае сопротивления, не равного нулю. Не прихо­дится говорить об электронной теории коммутации динамомашин, так как таковой не существует и едва ли было бы рационально пытаться ее создать. Было бы шагом назад, если бы мы стремились построить теорию расчета электрических генераторов и трансфор­маторов с электронной точки зрения и т. д.

Нельзя игнорировать и того, что самое представление об электроне претерпевает в настоящее время эволюцию. Электрон уже не мыслится как некоторый элементарный электрический ша­рик строго ограниченного диаметра: электрон теперь расплывается в окружающем пространстве и приобретает все более и более определенный характер какого-то элементарного электромагнитного комплекса. Мы наблюдаем в науке здоровые симптомы грядущей увязки формальных и фактических достижений электронной теории с фарадее-максвелловской точкой зрения.

 

 

В настоящем дополненном и пересмотренном издании устранен тот основной пробел, из-за которого в первом издании на заглавной странице значилось: „часть первая". Именно, я ввел теперь главу, посвященную прохождению электрического тока через газы и пу­стоту. Из числа других изменений можно отметить выделение в особый параграф основных положений, касающихся преобразова­ний магнитного потока.

В заключение считаю долгом поблагодарить друзей, своими ценными советами оказавших мне содействие при исправлении замеченных недочетов в старом издании. Особенно много помогли мне в этом отношении профессор П. Л. Калантаров и преподаватели ЛЭМИ — Е. Я. Семичев, Л. Р. Нейман и А. Г. Лурье. На­конец, выражаю свою признательность Техническому Директору Издательства КУБУЧ Л. М. Сафроновичу за его заботы о техни­ческом оформлении и скорейшем выпуске настоящего курса.

В, Миткевич. Декабрь 1931 г.

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ.

Автор предполагает, что читатель в достаточной мере знаком с учением о магнитных и электрических явлениях в объеме общего Курса Физики, обычно преподаваемого в высших технических шко­лах. Однако, с целью облегчить чтение книги, в параграфах 2 и 58 даны краткие сводки основных определений и соотношений из данной области. С тою же целью в конце книги, в особом при­ложении, приведены данные о физических размерностях величин, характеризующих электромагнитные процессы.

Книга эта представляет собою результат записи лекций, читан­ных мною в Ленинградском Политехническом Институте имени М. И. Калинина в течение ряда последних лет по курсу, который вначале назывался „Специальным Курсом Электричества", а затем „Теоретическими Основами Электротехники, ч. I". Запись с боль­шою тщательностью повторно велась моими слушателями Е. А. Чер­нышевой, Е. Я. Семичевым и К. С. Стефановым. Составленные ими записи были просмотрены моим коллегой — преподавателем Политехнического Института П. Л. Калантаровым и, наконец, окончательно проредактированы мною. Выражаю мою большую благодарность всем упомянутым лицам, оказавшим весьма существен­ную помощь в деле подготовки настоящего курса к печати. Вместе с тем очень благодарю и моего слушателя Б. Б. Таунлея за его общее содействие по организации издания курса, а также за работу по составлению рисунков для этой книги.

В. Миткевич. Август 1927 г.