Основные положения Максвелла.

Настоящая глава посвящена изучению всякого рода динамиче­ских проявлений того электромагнитного процесса, который про­исходит в системе электрических токов. Мы будем при этом следовать пути, который был указан Максвеллом, и заключается в следую­щем. Как было достаточно разъяснено выше, в особенности в главе V, электрический ток есть явление кинетического характера. Таким образом, система проводников, по которым текут электрические токи, может быть рассматриваема, с общей точки зрения, в каче­стве совокупности частей, обладающих кинетической энергией как вследствие возможного движения материальных масс, из которых состоят проводники, так и в связи с электрокинетическим процес­сом. К такой системе, согласно Максвеллу, могут быть приме­нены общие уравнения механики и таким путем получены выра­жения как для всех сил механического характера, так и для всех возникающих в системе электродвижущих сил.

Обоснованию этой точки зрения Максвелл посвятил главы IV и VI второго тома своего „Трактата об электричестве и магнитизме".

Мы приведем ниже в переводе несколько наиболее интересных отрывков из этого трактата. Сделать это необходимо, с одной стороны, потому, что никакое переложение не может заменить оригинальных формулировок Максвелла, являющихся класси­ческими по глубине высказываемых в них мыслей и по удиви­тельной точности выражения всех оттенков этих мыслей; с другой стороны, чрезвычайно поучительно проследить ход развития идей Максвелла, одного из величайших мастеров теоретического анализа явлений.

Главу IV второго тома своего трактата Максвелл начинает с описания некоторых явлений, наблюденных Фарадеем и не­которыми другими физиками, явлений, хорошо нам теперь извест­ных под именем явлений самоиндукции. Максвелл подчеркивает, что эти явления свидетельствуют о присущем электрическому

 

току „количестве движения", или „инерции". Для пояснения своей мысли он пользуется аналогией с движением воды в трубке, строго устанавливая вместе с тем границы этой аналогии. Обратимся к извлечениям из трактата Максвелла:

546. „Девятую серию своих исследований Фарадей посвятил рассмотрению группы явлений, имеющих место при прохождении тока по проволоке, образующей катушку электромагнита".

„Дженкин заметил следующее: непосредственным действием вольтаической системы, состоящей только из одной пары пластин, невозможно произвести чувствительный физиологический удар: если же заставить ток (от той же системы) проходить через ка­тушку электромагнита и размыкать цепь, держа в руках соответ­ствующие концы проволок, то ощущается сильный удар. При замыкании цепи подобного удара не замечается".

„Фарадей показал, что это и другие описываемые им явления вызваны тем же самым индуктивным действием тока на соседние проводники, которое он наблюдал ранее. В этом случае, однако, ток оказывает индуктивное действие на несущий его проводник, и это действие сказывается в том отношении сильнее, что этот проводник ближе к различным элементам данного тока по сравне­нию с каким-либо другим проводником".

547. „Он (Фарадей) замечает, однако, что „первое, что при­ходит в голову, это что движению электричества в проволоке присуще нечто подобное количеству движения или инерции". В самом деле, когда мы рассматриваем отдельный проводник, явление совершенно аналогично тому, что происходит в трубке, заполненной непрерывно текущей струей воды. Если при этом внезапно закрыть конец трубки, то инерция воды создаст внезап­ное повышение давления, которое значительно больше гидростатитического и которое может оказаться достаточным, чтобы разру­шить трубку".

„Если при закрытом главном выходе вода имеет возможность вытекать через какое-нибудь узкое отверстие, она проникнет через него со скоростью значительно большей, чем скорость опре­деляемая гидростатическим давлением; если ей открывается путь через клапан в какую-нибудь камеру, то вода проникнет в эту камеру, даже если давление в последней выше гидростатического давления в трубе".

„На этом принципе конструируется гидравлический таран, по­средством которого малое количество воды может быть поднято на большую высоту с помощью большого потока невысокого напора".

548. „Эти проявления инерции жидкости в трубе зависят лишь от количества жидкости, протекающей по трубке, длины и попереч­ного сечения трубки в различных ее участках. Они не зависят от чего-либо находящегося вне трубки так же, как и от формы,

 

которую трубке можно придать, если только длина ее остается прежней".

„Для проводника, несущего ток, дело обстоит не так: если длинный проводник сложен вдвое, то получаемый эффект очень слаб; если две части провода раздвинуты, то он сильнее; для про­вода, свитого в спираль, он еще сильнее, а самое сильное действие получается, если внутрь свитого спиралью провода поместить кусок мягкого железа".

„Кроме того, когда на первый проводник намотан второй, изолированный от него, то, если вторичный проводник не образует замкнутой цепи, явление происходит, как и в предыдущем случае, если же вторичный проводник образует замкнутую цепь, то в нем индуктируется ток, и действия самоиндукции в, первичном про­воднике замедляются".

549. „Такие результаты ясно показывают, что если (указанные) явления вызываются наличием количества движения, то это количе­ство движения, наверное, присуще не электричеству в проводнике, так как некоторый проводник, несущий один и тот же ток, об­наруживает различные свойства в зависимости от своей формы; даже если форма проводника остается той же самой, присутствие посторонних тел, как, например, куска железа или замкнутого металлического контура, изменяет результат".

В этом кратком параграфе и сформулирована, собственно говоря, та новая точка зрения, которая отличает воззрения Фарадея — Максвелла от воззрений, господствовавших в физике до них. Используя установленное на основе явлений самоиндукции положе­ние о присущем электрическому току „количестве движения" с одной стороны, и то отличие электрического тока от движения, например жидкости, о котором свидетельствует другая группа явлений (влияние формы проводников, присутствие „внешних" тел и контуров и т. д.), Максвелл делает чрезвычайно смелое, но оказавшееся столь плодотворным заключение, что количество дви­жения присуще не электричеству в проводнике, тем самым перенося внимание в окружающее проводник пространство.

Это положение сделалось краеугольным камнем максвелловской теории, устойчивым ее основанием, до сих пор являющимся не­уязвимым и незаменимым при всяких попытках построения теории электромагнитных явлений.

Следующий параграф характеризует ту принципиальную основу воззрений Максвелла, в силу которой всякая возможность свести исследуемое явление к некоторому виду движения является реаль­ным приобретением нашего знания.

550. „Трудно, однако, нашему сознанию, заметив однажды ана­логию между явлениями самоиндукции и движением материальных тел, отказаться совершенно от помощи подобной аналогии или при­знать ее совершенно поверхностной или даже обманчивой. Основное динамическое понимание материн, как чего-то способного благо­даря своему движению становиться носителем количества движе­ния и энергии, настолько переплетается с формами нашего мышле-

 

ния, что если мы где-нибудь можем уловить намек на эти свой­ства в некоторых явлениях природы, мы чувствуем, что перед нами открывается путь, рано или поздно приводящий нас к полному пониманию предмета".

Наконец, в параграфах 551 и 552 Максвелл подчеркивает, что энергия электрического тока, или, лучше сказать, энергия того происходящего в пространстве явления, осью которого служит „проводник с током", есть энергия кинетическая,

551. „В случае электрического тока мы находим, что когда электродвижущая сила начинает действовать, она не создает сразу полного тока, но что ток возрастает постепенно. В чем заклю­чается действие электродвижущей силы в течение того времени, когда противодействующее сопротивление не способно ее уравно­весить? Она в течение этого времени увеличивает силу тока".

„Обыкновенная сила, действуя на тело в направлении его движения, увеличивает его количество движения и сообщает ему кинетическую энергию, или способность произвести работу за счет его движения".

„Аналогично, неуравновешенная сопротивлением часть электро­движущей силы идет на увеличение силы тока. Обладает ли элек­трический ток, подобным образом созданный, количеством движения или кинетической энергией?".

„Мы уже показали, что он обладает чем-то, весьма похожим на количество движения, что он оказывает противодействие при попытке внезапно его прервать и что он может создать на корот­кое время значительную электродвижущую силу".

„Далее, проводящий контур, несущий ток, обладает способностью производить работу именно благодаря наличию этого тока, и эта способность не может быть названа чем-то подобным энергии, так как она и есть действительная и подлинная энергия".

„Итак, если ток предоставлен самому себе, он будет продол­жать существовать, пока его не прекратит сопротивление цепи. Однако, прежде чем ток прекратится, он разовьет некоторое количество тепла, равное в единицах работы первоначальной энергии электрического тока".

„Ток, предоставленный самому себе, может произвести также механическую работу, перемещая магниты, и индуктивное действие подобных движений, согласно закону Ленца, прекратит ток скорее, чем это сделало бы одно сопротивление. Таким путем часть энергии тока может быть преобразована, вместо тепла, в механическую работу".

552. „Таким образом, оказывается, что система, содержащая электрический ток, является вместилищем энергии некоторого рода, и поскольку мы можем мыслить электрический ток только как явление кинетического характера, его энергия должна быть кинетической энергией, т. е. энергией, которою обладает движущееся тело в силу своего движения".

 

 

„Мы уже показали, что электричество внутри проводника нельзя рассматривать как движущееся тело, являющееся носителем этой энергии, так как энергия движущегося тела не зависит от чего-либо внешнего по отношению к нему, тогда как присутствие посторонних тел вблизи тока изменяет его энергию".

„Мы приходим, таким образом, к вопросу, нет ли некоторого движения вне проводника в пространстве, которое не занято током но в котором обнаруживаются электромагнитные действия тока".

„Я не буду сейчас входить в рассмотрение причин, в силу которых это движение можно было бы отнести к одному месту скорее, чем к другому, или давать предпочтение одному роду движения перед другим".

„Все, что я предполагаю сделать, это исследовать следствия, вытекающие из предположения, что явления электрического тока суть явления движущейся системы, при чем движения передаются от одной части системы к другой посредством сил, природу и за­коны которых мы еще даже не пытаемся определить, так как мы можем исключить эти силы из уравнений движения, пользуясь методом, данным Лагранжем для связанной системы".

„В ближайших пяти главах настоящего трактата я предполагаю вывести основные положения теории электричества, исходя из такого рода динамической гипотезы, вместо того, чтобы следовать пути, который привел Вебера и других исследователей ко многим замечательным открытиям и экспериментам, а также к концепциям, некоторые из которых красивы своей смелостью. Я избрал этот метод потому, что хочу показать, что имеются другие пути рас­смотрения явлений, кажущиеся мне более удовлетворительными и в то же время более соответствующие принятому в предыдущих частях этой книги методу исследования, чем метод, основанный на гипотезе непосредственного действия на расстоянии".

К вопросу о кинетической природе электрического тока Макс­велл вновь возвращается в главе VI, озаглавленной так: .Ди­намическая теория электромагнитизма". Из этой главы мы при­водим параграфы 568, 569 и 570.

568. „Мы показали в § 552, что когда электрический ток суще­ствует в проводящей цепи, он обладает способностью совершать некоторое определенное количество механической работы, притом совершенно независимо от всякой внешней электродвижущей силы поддерживающей ток. Всякая же способность совершать работу есть не что иное, как энергия, а все виды энергии имеют одну и ту же природу, хотя и могут отличаться по форме. Энергия электрического тока может быть отнесена или к той форме энергии которая определяется действительным движением материи, или к той, которая определяется способностью материи притти в движе­ние под влиянием сил, действующих между телами, находящимися в определенных положениях одно относительно другого".

„Первый вид энергии, энергия движения, носит название энергии кинетической; и если однажды углубиться в понимание этого вида энергии, он представляется столь фундаментальным

 

фактом природы, что нам трудно вообразить себе возможность разложения его на что-нибудь другое. Второй вид энергии — энер­гия, зависящая от положения—называется энергией потенциаль­ной; она обусловливается действием того, что мы называем силами, т. е. того, что имеет стремление изменять относительное положе­ние. Что касается этих сил, то хотя мы и можем - принять их существование как опытный факт, однако, неизменно сознаем, что всякое объяснение механизма, приводящего тело в движение, представляет собою реальный вклад в наше знание".

569. „Электрический ток не может быть рассматриваем иначе, как явление кинетическое. Даже Фарадей, который постоянно стремился освободить свою мысль от влияния представлений, не­вольно вызываемых выражениями „электрический ток" и „электрическая жидкость", говорит об электрическом токе как „о чем-то продвигающемся, а не о простом расположении".

„Такие действия тока, как электролиз и перенесение электриче­ства с одного тела на другое, являются процессами, протекающими во времени, и имеют, таким образом, природу движения".

„Что касается скорости тока, то мы показали, что мы о ней ничего но знаем: она может быть равна десятой доле дюйма в час или сотне тысяч миль в секунду. Мы настолько далеки от зна­ния ее абсолютной величины в отдельных случаях, что мы даже не осведомлены, является ли направление, называемое нами по­ложительным, действительным направлением движения".

„Все допущение, которым мы здесь ограничиваемся, заключается в том, что процесс электрического тока включает в себе движение некоторого рода. То, что вызывает электрические токи, называется электродвижущей силой: это название уже с давних пор было с успехом употребляемо и никогда не привносило в научный язык никаких противоречий. Электродвижущую силу нужно всегда пони­мать как нечто, действующее только на электричество, но не на несущие его тела. Никогда не следует смешивать ее с механиче­ской силой, действующей только на тела, но не на электричество. Если мы когда-нибудь узнаем формальное соотношение, которое существует между электричеством и обыкновенной материей, то, вероятно, мы узнаем и соотношение между силой электродвижущей и обычной (механической) силой".

570. „Когда обыкновенная сила действует на тело и тело усту­пает действию, работа, совершенная силой, измеряется произведе­нием силы На величину, характеризующую произведенное силой изменение. Так, например, если нагнетать воду по трубе, то работа, произведенная в некотором отрезке трубы, равна произведению потери давления на количество жидкости, протекшей чрез этот отрезок".

„Точно так же и работа электродвижущей силы равна про­изведению ее на количество электричества, которое протекает через сечение проводника под действием этой электродвижущей силы".

 

 

„Работа, совершенная электродвижущей силой, в точности той же природы, что и работа обычной механической силы, и измеряется теми же единицами".

„Часть работы, которую совершает электродвижущая сила, действующая в проводниковой цепи, идет на преодоление сопроти­вления цепи, и эта часть работы обращается в тепло. Другая часть ее идет на создание электромагнитных явлений, наблюденных Ампером, которые состоят в движении проводников под влиянием электромагнитных сил. Остальная часть тратится на увеличение кинетической энергии тока, и действие этой последней части про­является в явлениях индукции токов, открытых Фарадеем".

„Мы, таким образом, знаем достаточно об электрическом токе, чтобы признать в системе материальных проводников, несущих токи, динамическую систему, которая является вместилищем энергии, быть может, частью кинетической, частью потенциальной".

„Мы ничего не знаем о природе связей, которые существуют между частями этой системы; но мы имеем в динамике методы исследования, которые не требуют знания механизма системы, и мы применим их к этому случаю".