Текст книги "Фейнмановские лекции по физике. 7. Физика сплошных сред"

Автор книги: Ричард Фейнман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Определим тензор напряжений следующим образом. Вообразите сначала разрез, перпендикулярный оси х, и разложите силу DF₁, действующую на разрезе, на ее компоненты: DF_x1, DF_y1, DF_z1 (фиг. 31.6).

Фиг. 31.6. Сила DF₁, действующая на элементе площади DyDz, перпендикулярной оси х, разлагается на три компоненты: DF_x1, DF_у1 и DF_z1.

Отношение этих сил к площади Dy/Dz мы назовем S_xx, S_yxи S_zx. Например,

S_yx=DF_у1/DyDz

Первый индекс у относится к направлению компоненты силы, а второй х – к направлению нормали к плоскости. Если угодно, площадь DyDz можно записать как Dа_х, имея в виду элемент площади, перпендикулярный оси х, т. е.

S_yx=DF_у1/Dа_х

А теперь представьте себе разрез, перпендикулярный оси у. Пусть на маленькую площадку DxDz действует сила DF₂.

Разлагая снова эту силу на три компоненты, как показано на фиг. 31.7, мы определяем три компоненты напряжения S_xy, S_yy, S_zyкак силы, действующие на единичную площадь в этих трех направлениях.

Фиг. 31.7. Сила, действующая на элемент площади, перпендикулярной оси у, разлагается на три взаимно перпендикулярные компоненты.

Наконец, проведем воображаемый разрез, перпендикулярный оси z, и определим три компоненты S_xz, S_yzи S_zz. Таким образом, получается девять чисел:

Я хочу теперь показать, что этих девяти величин достаточно, чтобы полностью описать внутреннее напряженное состояние, и что S_ij–действительно тензор. Предположим, что мы хотим знать силу, действующую на поверхность, наклоненную под некоторым произвольным углом. Можно ли найти ее, исходя из S_ij? Можно, и это делается следующим образом. Вообразите маленькую призму, одна грань N которой наклонна, а другие – параллельны осям координат. Если окажется, что грань N параллельна оси z, то получается картина, изображенная на фиг. 31.8.

Фиг. 31.8. Разложение на компоненты силы F_n, действующей на грани N (с единичной нормалью n).

(Это, конечно, частный случай, но он достаточно хорошо иллюстрирует общий метод.) Дальше, напряжения, действующие на эту призмочку, должны быть такими, чтобы она находилась в равновесии (по крайней мере в пределе бесконечно малого размера), так что действующая на нее полная сила должна быть равна нулю. Силы, действующие на грани, параллельные осям координат, известны нам непосредственно из тензора S_ij. А их векторная сумма должна равняться силе, действующей на грань N, так что эту силу можно выразить через S_ij.

Наше допущение, что поверхностные силы, действующие на малый объем, находятся в равновесии, предполагает отсутствие объемных сил, подобных силе тяжести или псевдосилам, которые тоже могут присутствовать, если наша система координат не инерциальна. Заметьте, однако, что такие объемные силы будут пропорциональны объему призмочки и поэтому пропорциональны Dx,Dy, Dz, тогда как поверхностные силы пропорциональны DxDy, DyDz и т. п. Итак, если размер призмочки взять достаточно малым, то объемные силы будут пренебрежимо малы по сравнению с поверхностными.

А теперь сложим силы, действующие на нашу призмочку. Возьмемся сначала за х-компоненту, которая состоит из пяти частей, по одной от каждой грани. Но если Dz достаточно мало, то силы от треугольных граней (перпендикулярные оси z) будут равны друг другу и противоположны по направлению, поэтому о них можно забыть. На основание призмы действует x-компонента силы, равная

DF_x2=S_xyDхDz,

а x-компонента силы, действующей на вертикальную прямоугольную грань, равна

DF_x1=S_хxDz.

Сумма этих двух сил должна быть равна x-компоненте силы, действующей извне на грань N. Обозначим через n единичный вектор нормали к грани N, а через F_n – действующую на нее силу, тогда получим

DF_xn=S_xxDyDz+S_xyDxDz.

Составляющая напряжения по оси х (S_xn), действующего в этой плоскости, равна силе DF_xn, деленной на площадь, т. е. DzЦ(Dx²+Dy²), или

Но, как видно из фиг. 31.8, отношение Dх/Ц(Dx²+Dy²) – это косинус угла q между n и осью у и может быть записан как п_у, т. е. y-компонента вектора n. Аналогично, Dy/Ц(Dx²+Dy²) равно sinq=n_х. Поэтому мы можем написать

S _xn =S _xx n _x +S _xy n _y

рели теперь обобщить это на произвольный элемент поверхности, то мы получим

S_xn= S_xxn_x+S_xyn_y+S_xzn_z,

или в еще более общей форме:

Так что мы действительно можем выразить силу, действующую на произвольную площадь, через элементы S_ijи полностью описать внутреннее напряжение.

Уравнение (31.24) говорит, что тензор S_ij связывает силу S_n с единичным вектором n точно так же, как a_ijсвязывает Р с Е. Но поскольку n и S_n – векторы, то компоненты S_ijпри изменении осей координат должны преобразовываться как тензор. Так что S_ijдействительно тензор.

Можно также доказать, что S_ij симметричный тензор. Для этого нужно обратить внимание на силы действующие на маленький кубик материале. Возьмем кубик, rpaни которого параллельны осям координат, и посмотрим на eго разрез (фиг. 31.9).

Фиг. 31.9. х– и у-компоненты сил, действующих на четыре грани маленького единичного кубика.

Если допустить что ребра куба равны единице, то х– и y-компоненты сил на гранях, перпендикулярных к осям х и у, должны быть такими, как показано на рисунке. Если взять достаточно маленький кубик, можно надеяться, что напряжение на его противоположных гранях будет отличаться ненамного, а поэтому компоненты сил должны быть равны и противоположны, как это показано на рисунке. Заметьте теперь, что на кубик не должен действовать никакой момент си иначе кубик начал бы вращаться. Но полный момент относительно центра равен произведению (S_yx-S_xy) на единичную длину ребра куба, а поскольку полный момент равен нулю, то S должно быть равно S_xy, и тензор напряжений, таким образом, оказывается симметричным.

Благодаря этой симметрии тензора S_ijего можно то; описывать эллипсоидом с тремя главными осями. Напряжение имеет особенно простой вид на площадках, нормальных к этим: осям: оно соответствует чистому сжатию или растяжению в направлении главных осей. Вдоль этих площадок нет никак сдвиговых сил, причем такие оси, для которых отсутствуют сдвиговые силы, можно выбрать для любого напряжения. Если эллипсоид превращается в сферу, то в любом направлении действуют только нормальные силы. Это соответствует гидростатическому давлению (положительному или отрицательном. Таким образом, для гидростатического давления тензор диагонален, причем все три компоненты его равны друг другу (фактически они просто равны давлению р). В этом случае мы можем написать

(31.25)

Вообще говоря, тензор напряжений в куске твердого тела, а также его эллипсоид изменяются от точки к точке, поэтому для описания всего куска мы должны задать каждую компоненту S_ijкак функцию положения. Тензор напряжений, таким образом, является полем. Мы уже имели примеры скалярных полей, подобных температуре Т(х, у, z), и векторных полей, подобных Е(х, у, z), которые в каждой точке задавались тремя числами. А теперь перед нами пример тензорного поля, задаваемого в каждой точке пространства девятью числами, из которых для симметричного тензора S_ijреально остается только шесть. Полное описание внутренних сил в произвольном твердом теле требует знания шести функций координат х, у и z.

§ 7. Тензоры высших рангов

Тензор напряжений S_ijописывает внутренние силы в веществе. Если при этом материал упругий, то внутренние деформации удобно описывать с помощью другого тензора T_ij– так называемого тензора деформаций. Для простого объекта, подобного бруску из металла, изменение длины DL, как вы знаете, приблизительно пропорционально силе, т. е. он подчиняется закону Гука

DL=gF.

Для произвольных деформаций упругого твердого тела тензор деформаций T_ijсвязан с тензором напряжений S_{ijсистемой линейных уравнений}

Вы знаете также, что потенциальная энергия пружины (или бруска) равна

а обобщением плотности упругой энергии для твердого тела будет выражение

Полное описание упругих свойств кристалла должно задаваться коэффициентами g_ijkl. Это знакомит нас с новым зверем – тензором четвертого ранга. Поскольку каждый из индексов может принимать одно из трех значений – х, у или z, то всего оказывается 3⁴=81 коэффициент. Но различны из них на самом деле только 21. Во-первых, поскольку тензор S_ij симметричен, у него остается только шесть различных величин, и поэтому в уравнении (31.27) нужны только 36 различных коэффициентов. Затем, не изменяя энергии, мы можем переставить S_{ijи Skl, так что gijkl должно быть симметрично при перестановке пары индексов ij и kl. Это уменьшает число коэффициентов до 21. Итак, чтобы описать упругие свойства кристалла низшей возможной симметрии, требуется 21 упругая постоянная! Разумеется, для кристаллов с более высокой симметрией число необходимых постоянных уменьшается. Так, кубический кристалл описывается всего тремя упругими постоянными, а для изотропного вещества хватит и двух.}

В справедливости последнего утверждения можно убедиться следующим образом. В случае изотропного материала компоненты g_ijklне должны зависеть от поворота осей. Как это может быть? Ответ: они могут быть независимы, только когда выражаются через тензоры d_ij. Но существует лишь два возможных выражения, имеющих требуемую симметрию,– это d_ijd_kl и d_ikd_jl+d_il+d_jk, так что g_ijkl должно быть их линейной комбинацией. Таким образом, для изотропного материала

g_ijkl =а(d_ijd_kl) + b(d_ikd_jl+d_ild_jk);

следовательно, чтобы описать упругие свойства материала, требуются две постоянные: а и b. Я предоставляю вам самим доказать, что для кубического кристалла требуются три такие постоянные.

И еще один последний пример (на этот раз пример тензора третьего ранга) дает нам пьезоэлектрический эффект. При напряженном состоянии в кристалле возникает электрическое поле, пропорциональное тензору напряжений. Общий закон пропорциональности имеет вид

где e_i– электрическое поле, a P_ijk– пьезоэлектрические коэффициенты (пьезомодули), составляющие тензор. Можете ли вы сами доказать, что если у кристалла есть центр инверсии (т. е. если он инвариантен относительно замены х, у, z®-х,-y,-z), то все его пьезоэлектрические коэффициенты равны нулю.

§ 8. Четырехмерный тензор электромагнитного импульса

Все тензоры, с которыми мы сталкивались в этой главе, были связаны с трехмерным пространством; они определялись как величины, имеющие известные трансформационные свойства при пространственных поворотах. А вот в гл. 26 (вып. 6) мы имели возможность воспользоваться тензором в четырехмерном пространстве-времени: это был тензор электромагнитного поля F_mv. Компоненты такого четырехмерного тензора особым образом преобразуются при преобразованиях Лоренца. (Мы этого, правда, не делали, но могли бы рассматривать преобразования Лоренца как своего рода «вращение» в четырехмерном «пространстве», называемом пространством Минковского; тогда аналогия с тем, что мы рассматривали здесь, была бы ярче.)

В качестве последнего примера мы хотим рассмотреть другой тензор в четырех измерениях (t, x, y, z) теории относительности. Когда мы говорили о тензоре напряжений, то определяли S_ijкак компоненту силы, действующую на единичную площадку. Но сила равна скорости изменения импульса со временем. Поэтому вместо того, чтобы говорить «S_xy – это х-компонента силы, действующей на единичную площадку, перпендикулярную оси у», мы с равным правом могли бы сказать: «S_xy – это скорость потока x-компоненты импульса через единичную площадку, перпендикулярную оси у». Другими словами, каждый член S_ij представляет поток i-й компоненты импульса через единичную площадку, перпендикулярную оси j. Так обстоит дело с чисто пространственными компонентами, но они составляют только часть «большего» тензора S_mvв четырехмерном пространстве m. и v=t, x, у, z), содержащего еще дополнительные компоненты S_tx, S _yt, S_ttи т. п. Попытаемся теперь выяснить физический смысл этих дополнительных компонент.

Нам известно, что пространственные компоненты представляют поток импульса. Чтобы найти ключ к распространению этого понятия на «временное направление», обратимся к «потоку» другого рода – потоку электрического заряда. Скорость потока скалярной величины, подобной заряду (через единичную площадь, перпендикулярную потоку), является пространственным вектором – вектором плотности тока j. Мы видели, что временная компонента вектора потока – это плотность текущего вещества. Например, j можно скомбинировать с плотностью заряда j_t=r и получить четырехвектор j_m=(r, j), т. е. значок m у вектора j_m принимает четыре значения: t, х, у, z. Это означает «плотность», «скорость потока в x-направлении», «скорость потока в y-направлении» и «скорость потока в z-направлении» скалярного заряда.

Теперь по аналогии с нашим утверждением о временной компоненте потока скалярной величины можно ожидать, что вместе c S_xx,S_xyи S_xz, описывающими поток x-компоненты импульса, должна быть и временная компонента S_{xt, которая по идее должна бы описывать плотность того, что течет, т. е. Sxtдолжна быть плотностью х-компоненты импульса. Таким образом, мы можем расширить наш тензор по горизонтали, включив в него t-компоненты, и в нашем распоряжении оказываются:}

S_{xt– плотность x-компоненты импульса,}

S_xx – поток z-компоненты импульса в направлении оси х,

S_xy – поток y-компоненты импульса в направлении оси у,

S_xz – поток z-компоненты импульса в направлении оси z.

Аналогичная вещь происходит и с y-компонентой; у нас есть три компоненты потока: S_yx, S_yyи S_yz, к которым нужно добавить четвертый член:

S_yt – плотность y-компоненты импульса,

а к трем компонентам S_zx, S_zyи S_zzмы добавляем

S_zt – плотность z-компоненты импульса.

В четырехмерном пространстве у импульса существует также и t-компонента, которой, как мы знаем, является энергия. Так что тензор S_ijследует продолжить по вертикали с включением в него S_tx, S_tyи S_tz, причем

S_tx – поток энергии в направлении оси х, S_ty – поток энергии в направлении оси у, (31.28) S_tz – поток энергии в направлении оси z,

т. е. S_tx– это поток энергии в единицу времени через поверхность единичной площади, перпендикулярную оси х, и т. д. Наконец, чтобы пополнить наш тензор, нужна еще величина S_tt, которая должна быть плотностью энергии. Итак, мы расширили наш трехмерный тензор напряжений до четырехмерного тензора энергии-импульса S_mv. Индекс m может принимать четыре значения: t, х, у и z, которые означают «плотность», «поток через единичную площадь в направлении оси х», «поток через единичную площадь в направлении оси y» и «поток через единичную площадь в направлении оси z». Значок v тоже принимает четыре значения: t, х, у, z, которые говорят нам, что же именно течет: «энергия», x-компонента импульса», «y-компонента импульса» или же «z-компонента импульса».

В качестве примера рассмотрим этот тензор не в веществе, а в пустом пространстве с электромагнитным полем. Вы знаете, что поток энергии электромагнитного поля описывается вектором Пойнтинга S=e₀c²EXВ. Так что х-, у– иz-компоненты вектора S с релятивистской точки зрения являются компонентами: S_ix, S_tни S_tzнашего тензора энергии-импульса. Симметрия тензора S_ijпереносится и на временные компоненты, так что четырехмерный тензор S_mv тоже симметричен:

S_mv=S_vm. . (31.29)

Другими словами, компоненты S_xt, S_yt, S_zt, которые представляют плотности х-, у– и z-компонент импульса, равны также х-, у– и z-компонентам вектора Пойнтинга S, или, как мы видели раньше из других соображений, вектора потока энергии.

Оставшиеся компоненты тензора электромагнитного напряжения S_mvтоже можно выразить через электрическое и магнитное поля Е и В. Иначе говоря, для электромагнитного поля в пустом пространстве мы должны допустить существование тензора напряжений, или, выражаясь менее таинственно, потока импульса электромагнитного поля. Мы уже обсуждали это в гл. 27 (вып. 6) в связи с уравнением (27.21), но тогда мы не входили в детали.

Тем из вас, кто хочет испытать свою удаль на четырехмерных тензорах, может понравиться выражение для тензора S_{mvчерез поля:}

где суммирование по a и b проводится по всем их значениям (т. е. t, x, у и z), но, как обычно в теории относительности, для суммы S и символа d принимается специальное соглашение. В суммах слагаемые со значками х, у, z должны вычитаться, а d_tt=+1, тогда как d_xx.=d_уу = d_zz=-1 и d_mv=0 для всех m№v (с=1). Сможете ли вы доказать, что эта формула приводит к плотности энергии S_tt=(e₀/2)(E²+B²) и вектору Пойнтинга e₀ЕXВ? Можете ли вы показать, что в электростатическом поле, когда В=0, главная ось напряжения направлена по электрическому полю и вдоль направления поля возникает натяжение (e₀/2)E²и равное ему давление в направлении, перпендикулярном направлению поля?

* Если не полагать с=1, как это делается здесь, то плотность энергии в принятых в книге единицах будет равна (e ₀ /2)(E ² +с ² B ² ) или в единицах СИ ¹ / ₂ [e ₀ E ² +(l/m ₀ )B ² ]. – Прим. ред.

* Эту работу, затраченную на создание поляризации электрическим полем, не нужно путать с потенциальной энергией —p ₀ *Е постоянного дипольного момента p ₀ в поле Е.

* Обычно для коэффициентов пропорциональности между Р и Е пользуются термином тензор восприимчивости, оставляя термин поляризуемость для величин, относящихся к одной частице. Прим. ред.

* В гл. 10, следуя общепринятому соглашению, мы писали Р=e ₀ cЕ и величину c (хи) называли «восприимчивостью». Здесь же нам удобнее пользоваться одной буквой, так что вместо e ₀ c мы будем писать a. Для изотропного диэлектрика a=(c-1)e ₀ , где c – диэлектрическая проницаемость (см. гл. 10 §4 вып.5)

Глава 32
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛОТНОГО ВЕЩЕСТВА

§ 1. Поляризация вещества

§ 2. Уравнения Максвелла в диэлектрике

§ 3. Волны в диэлектрике

§ 4. Комплексный показатель преломления

§ 5. Показатель преломления смеси

§ 6. Волны в металлах

§ 7.Низкочастотное и высокочастотное приближение глубина скин-слоя и плазменная частота

Повторить: всё что в табл. 32.

§ 1. Поляризация вещества

Здесь я хочу обсудить явления преломления света, ну и, разумеется, его поглощение плотным веществом. Теорию показателя преломления мы уже рассматривали в гл. 31 (вып. 3), но тогда наши знания математики были весьма ограничены и мы остановились только на показателе преломления веществ с малой плотностью наподобие газов. Но физические принципы, приводящие к возникновению показателя преломления, мы там все же выяснили. Электрическое поле световой волны поляризует молекулы газа, создавая тем самым осциллирующие дипольные моменты, а ускорение осциллирующих зарядов приводит к излучению новых волн поля. Это новое поле, интерферируя со старым, изменяет его. Изменение поля эквивалентно тому, что происходит сдвиг фазы первоначальной волны. Из-за того что сдвиг фазы пропорционален толщине материала, эффект в целом оказывается эквивалентным изменению фазовой скорости света в материале. Прежде, когда рассматривалось это явление, мы пренебрегали усложнениями, возникающими от таких эффектов, как действие новой измененной волны на поле осциллирующего диполя. Мы предполагали, что силы, действующие на заряды атомов, определяются только падающей волной, тогда как на самом деле на осциллятор действует не только падающая волна, но и волны, излученные другими атомами. В то время нам еще было трудно учесть этот эффект, поэтому мы изучали только разреженные газы, где его можно считать несущественным.

Ну а теперь мы увидим, что эта задача с помощью дифференциальных уравнений решается совсем просто. Конечно, дифференциальные уравнения затуманивают физическую причину возникновения преломления (как результата интерференции вновь излученных волн с первоначальными), но зато они упрощают теорию плотного материала. В этой главе сойдется вместе многое из того, что мы делали уже раньше. Практически мы уже получили все, что нам потребуется, так что по-настоящему новых идей в этой главе будет сравнительно немного. Поскольку вам может понадобиться освежить в памяти то, с чем мы здесь столкнемся, то в табл. 32.1 приводится список уравнений, которые я собираюсь использовать вместе со ссылкой на те места, где их можно найти. Во многих случаях из-за нехватки времени я не смогу снова останавливаться на физических аргументах, а сразу же буду браться за уравнения.

Таблица 32.1 · ЧТО БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАНО В ЭТОЙ ГЛАВЕ

Начну с напоминания о механизме преломления в газе. Мы предполагаем, что в единице объема газа находится N частиц и каждая из них ведет себя как гармонический осциллятор. Мы пользуемся моделью атома или молекулы, к которой электрон привязан силой, пропорциональной его перемещению (как будто он удерживается пружинкой). Отметим, что такая модель атома с классической точки зрения незаконна, однако позднее будет показано, что правильная квантовомеханическая теория дает (в простейших случаях) эквивалентный результат. В наших прежних рассмотрениях мы не учитывали «тормозящей» силы в атомном осцилляторе, а сейчас это будет сделано. Такая сила соответствует сопротивлению при движении, т. е. она пропорциональна скорости электрона. Уравнением движения при этом будет

F=q_eE =m(x+gx+w²₀x), (32.1)

где х – перемещение, параллельное направлению поля Е. (Осциллятор предполагается изотропным, т. е. восстанавливающая сила одинакова во всех направлениях. Кроме того, на время мы ограничимся линейно поляризованной волной, так что поле Е не меняет своего направления.) Если действующее на атом электрическое поле изменяется со временем синусоидально, то мы пишем.

E=E₀e^iwt. (32.2)

С той же самой частотой будет осциллировать и перемещение, поэтому можно считать

х=х ₀ е ^{i w t} .

Подставляя х=iwх и х=-w²х, можно выразить х через Е:

А зная перемещение, можно вычислить ускорение х и найти ответственную за преломление излученную волну. Именно таким способом в гл. 31 (вып. 3) мы подсчитывали показатель преломления.

Теперь же мы пойдем другим путем. Индуцированный дипольный момент атома р равен q_ex, или в силу уравнения (32.3)

Так как р пропорционально Е, то мы пишем

р=e₀a(w)Е, (32,5) где a – атомная поляризуемость:

Подобный же ответ для движения электронов в атоме дает и квантовая механика, но с учетом следующих особенностей. У атомов есть несколько собственных частот, каждая из которых имеет свою диссипативную постоянную g. Кроме того, каждая гармоника имеет еще свою эффективную «силу», выражаемую в виде произведения поляризуемости при данной частоте на постоянную связи f, которая, как ожидается, по порядку величины равна единице. Обозначая каждый из трех параметров w₀, g и f для каждой из гармоник через w_ok, g_k и f_k и суммируя по всем гармоникам, мы вместо (32.6) получаем

Если число атомов в единице объема вещества равно N, то поляризация Р будет просто Np=e₀NaE, т. е. пропорциональна Е:

Р=e₀Na(w)Е. (32.8)

Другими словами, когда на материал действует синусоидальное электрическое поле, оно индуцирует пропорциональный себе дипольный момент, причем константа пропорциональности а, как мы уже отмечали, зависит от частоты. При очень больших частотах a мала: реакция материала слабая. А вот при низких частотах реакция может быть очень сильной. Константа пропорциональности, кроме того, еще оказывается комплексной, т. е. поляризация не следует точно за всеми изменениями электрического поля, а в какой-то степени может быть сдвинута по фазе. Во всяком случае, электрическое поле вызывает в материале поляризацию, пропорциональную его напряженности.

§ 2. Уравнения Максвелла в диэлектрике

Наличие в веществе поляризации означает, что там возникают поляризационные заряды и токи, которые необходимо учитывать в полных уравнениях Максвелла при нахождении полей. Сейчас мы собираемся решать уравнения Максвелла для случая, когда заряды и токи не равны нулю, но неявно определяются вектором поляризации. Нашим первым шагом должно быть явное нахождение плотности зарядов r и плотности тока j, усредненных по тому же самому малому объему, который имелся в виду при определении вектора Р. Потом необходимые нам значения r и j могут быть определены из поляризации. В гл. 10 (вып. 5) мы видели, что когда поляризация Р меняется от точки к точке, то возникает плотность зарядов:

r_пол=-С·Р. (32.9)

В то время мы имели дело со статическими полями, но эта же формула справедлива и для переменных полей. Но когда Р изменяется со временем, заряды движутся, так что появляется поляризационный ток. Каждый из осциллирующих зарядов вносит в ток свой вклад, равный произведению его заряда q_{eна скорость v. Когда же таких зарядов в единице объема N штук, то они создают плотность тока j:}

j =Nq _e v .

Ну а поскольку известно, что v=dx/dt, то j=Nq_edx/dt, что как раз

равно dP/dt.Следовательно, при переменной поляризации возникает плотность тока

j_пол=dP/dt (32.10)

Наша задача стала теперь простой и понятной. Мы пишем уравнения Максвелла с плотностями заряда и тока, определяемыми поляризацией Р посредством уравнений (32.9) и (32.10). (Предполагается, что других зарядов и токов в веществе нет.) Затем мы свяжем Р с Е формулой (32.5) и будем разрешать их относительно Е и В, отыскивая при этом волновое решение.

Но прежде чем приступить к решению, мне бы хотелось сделать одно замечание исторического характера. Первоначально Максвелл писал свои уравнения в форме, отличающейся от той, в которой они используются нами. И именно потому, что уравнения писались в другой форме в течение многих лет (да и сейчас многими пишутся так), я постараюсь объяснить вам разницу. В те дни механизм диэлектрической проницаемости не был понятен с ясностью и полнотой. Не была ясна ни природа атомов, ни существование поляризации в веществе. Поэтому тогда не понимали, что С·P дает дополнительный вклад в плотность заряда р. Были известны только заряды, не связанные в атомах (такие, как заряды, текущие по проводу или возникающие при трении).

Сегодня же мы предпочитаем обозначать через r полную плотность зарядов, включая в нее и заряды, связанные с индивидуальными атомами. Если назвать эту часть зарядов r_пол, то можно написать

r=r_пол+r_др,

где r_др– плотность зарядов, учтенная Максвеллом и относящаяся к другим зарядам, не связанным с определенными атомами. При этом мы бы написали

После подстановки r_пол из (32.9) получаем

или

В плотность тока, фигурирующую в уравнениях Максвелла для СXB, вообще говоря, тоже вносится вклад от связанных атомных электронных токов. Поэтому мы можем написать

j=j_пол+j_др,

причем уравнение Максвелла приобретает вид

Используя уравнение (32.10), получаем

Теперь вы видите, что если бы мы определили новый вектор D

D=e₀E+P, (32.14)

то два уравнения поля приняли бы вид

С·D=r_др (32.15)

и

Это и есть та форма уравнений, которую использовал Максвелл для диэлектриков. А вот и остальные два уравнения:

СXЕ=-дB/дt

и

С·B=0,

которые в точности совпадают с нашими.

Перед Максвеллом и другими учеными того времени вставала проблема магнетиков (за них мы вскоре примемся). Они ничего не знали о циркулирующих токах, ответственных за атомный магнетизм и поэтому, в плотности тока утеряли еще одну часть. Вместо уравнения (32.16) они на самом деле писали

где Н отличается от e₀с²В, так как последнее учитывает эффекты атомных токов. (При этом j' представляет то, что осталось от токов.) Таким образом, у Максвелла было четыре полевых вектора: Е, D, В и Н, причем в D и Н скрывалось то, на что он не обратил внимания,– процессы, происходящие внутри вещества. Уравнения, написанные в таком виде, вы встретите во многих местах.

Чтобы решить их, необходимо как-то связать D и Н с другими полями, поэтому зачастую писали

D =eE

и

В=mH. (32.18)

Однако эти связи верны лишь приближенно для некоторых веществ, и то лишь когда поля не изменяются слишком быстро со временем. (Для синусоидально изменяющихся полей зачастую можно писать уравнения таким способом, считая при этом e и mкомплексными функциями частоты, но для произвольных изменений поля со временем это неверно.) На какие только ухищрения не пускаются ученые, чтобы решить уравнения! А мне кажется, что правильнее всего оставить уравнения записанными через фундаментальные величины, как мы понимаем их теперь, т. е. как раз то, что мы и проделали.

§ 3. Волны в диэлектрике

Теперь нам предстоит выяснить, какого сорта электромагнитные волны могут существовать в диэлектрическом веществе, где других зарядов, кроме тех, что связаны в атомах,

нет. Таким образом, мы возьмем r=-С·Р и j=дP/дt . При этом уравнения Максвелла примут такой вид:

Мы можем решить эти уравнения, как делали это прежде. Начнем с применения к уравнению (32.19в) операции ротора:

СX(СXE)=-(д/дt)СXB.

Используя затем векторное тождество

СX(СXE) = С(С·E)-С²E и подставляя выражение для СXB из (32.19б), получаем

Используя уравнение (32.19а) для С·Е, находим

Таким образом, вместо волнового уравнения мы теперь получили, что даламбертиан Е равен двум членам, содержащим поляризацию Р.

Однако Р зависит от Е, поэтому уравнение (32.20) все еще допускает волновые решения. Сейчас мы будем ограничиваться изотропными диэлектриками, т. е. Р всегда будет иметь то же направление, что и Е. Попробуем найти решение для волны, движущейся в направлении оси z. Электрическое поле при этом будет изменяться как еⁱ(^wt-kz). Предположим также, что волна поляризована в направлении оси х, т. е. что электрическое поле имеет только x-компоненту. Все это записывается следующим образом:

E_x=E₀e^i(wt-kz). (32.21)

Вы знаете, что любая функция от (z-vt) представляет волну, бегущую со скоростью v. Показатель экспоненты в выражении (32.21) можно переписать в виде

–ik[z-(w/k)t],

так что выражение (32.21) представляет волну, фазовая скорость которой равна

v_фаз=w/k.

В гл. 31 (вып. 3) показатель преломления nопределялся нами из формулы

v_фаз=c/n.

С учетом этой формулы (32.21) приобретает вид

Ex=E ₀ e ^{i w ( t - nz / c )} .

Таким образом, показатель nможно определить, если мы найдем ту величину k, которая необходима, чтобы выражение (32.21) удовлетворяло соответствующим уравнениям поля, и затем воспользуемся соотношением

n=kc/w. (32.22)

В изотропном материале поляризация будет иметь только x-компоненту; кроме того, Р не изменяется с изменением координаты х, поэтому С·P=0 и мы сразу же избавляемся от первого члена в правой стороне уравнения (32.20). Вдобавок мы считаем наш диэлектрик «линейным», поэтому Р_хбудет изменяться как е^iwtи d²P_x/dt²= -w²P_x. Лапласиан же в уравнении (32.20) превращается просто в д²E_x/dz²=-k2Е_x, так что в результате получаем

Теперь на минуту предположим, что раз Е изменяется синусоидально, то Р можно считать пропорциональной Е, как в уравнении (32.5). (Позднее мы вернемся к этому предположению и обсудим его.) Таким образом, пишем