Файл: Электродинамика.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.04.2021

Просмотров: 1094

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

106

Выражение слева преобразуется с помощью (12.8), а справа — аналогично
(12.10) и (12.11). В результате получим

2

Z

1

JdR

=

E

стор

2

Z

1

grad

ϕ d

l

d

dt

2

Z

1

A

d

l

.

(12.18)

Интеграл

2

Z

1

grad

ϕ d

l

=

2

Z

1

=

ϕ

2

ϕ

1

представляет собой разность потенциалов на обкладках конденсатора. Инте-
грал

2

Z

1

A

d

l

вычислим приближенно следующим образом. Ввиду того что потенциал

A

является непрерывной функцией, а расстояние между обкладками конден-

сатора много меньше длины проводника, можно заключить, что

2

Z

1

A

d

l

I

L

1

A

d

l

= Φ

, где

L

1

— замкнутый контур, состоящий из проводника и малого

расстояния между обкладками конденсатора;

Φ =

Z

B

d

S

=

I

L

1

A

d

l

(12.19)

— поток магнитной индукции через поверхность, натянутую на контур

L

1

.

Левую часть (12.18) вычисляют аналогично (12.9). В результате (12.18) можно
записать в виде

IR

=

E

стор

(

ϕ

2

ϕ

1

)

d

Φ

dt

.

(12.20)

Примем во внимание, что

Φ =

1

c

LJ ,

(12.21)

где

L

— индуктивность контура. Учтем, что разность потенциалов

ϕ

2

ϕ

1

между обкладками конденсатора связаны с зарядом

Q

обкладки конденсато-

ра равенством

ϕ

2

ϕ

1

=

Q/C ,

(12.22)


background image

107

где

C

— емкость конденсатора. Подставляя (12.18), (12.22) в (12.20), получаем

L

c

dJ

dt

+

RJ

+

Q
C

=

E

стор

.

Дифференцируя обе части этого уравнения по времени и учитывая, что

dQ

dt

=

J ,

получим уравнение для электрической цепи с емкостью

C

и индуктивностью

L

L

c

d

2

J

dt

2

+

R

dJ

dt

+

1

C

J

=

d

dt

E

стор

.

(12.23)

Таким образом, решение задач, связанных с электрической цепью указанно-
го вида, сводится к решению обыкновенного дифференциального уравнения
(12.23) с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим уравнение ( 12.23), учитывая одновременно емкость, сопро-

тивление и индуктивность. Пусть сторонняя ЭДС является периодической
функцией с частотой

ω

E

стор

=

E

стор

0

cos

ωt .

Для удобства запишем ее в комплексной форме

E

стор

=

E

стор

0

e

iωt

и будем искать решение (12.23) в виде

J

=

J

стор

0

e

iωt

.

(12.24)

Подставляя (12.24) в (12.23), приходим к

(

2

Riω

+ 1

/C

)

J

=

E

стор

.

Это соотношение можно записать в виде закона Ома:

ZJ

=

E

стор

,

(12.25)

где

Z

=

R

i

µ

ωL

1

ωC

называется импедансом. Выразив

J

из (12.25)

J

=

E

стор

/Z

(12.26)


background image

108

и отделяя вещественную часть, получим выражение для силы тока:

J

(

t

) =

E

стор

0

cos (

ωt

α

)

p

R

2

+ [

ωL

1

/

(

ωC

)]

2

,

tg

α

=

µ

ωL

1

ωC

1

R

.

(12.27)

Таким образом, сила тока сдвинута по фазе относительно приложенного на-
пряжения, а наряду с омическим сопротивлением появилось индуктивное
сопротивление.

Если сторонняя ЭДС отключена (

E

стор

= 0

), то ток в цепи совершает

колебания, комплексная частота которых на основании (12.25) определяется
условием

Z

= 0

. Следовательно,

ω

=

i

R

2

L

±

s

1

LC

µ

R

2

L

2

.

(12.28)

Если подкоренное выражение отрицательно

1

LC

<

µ

R

2

L

2

,

то комплексная частота чисто мнима и, следовательно, множитель

e

iωt

не

будет периодической функцией. В этом случае происходит затухающий апе-
риодический разряд.

Если подкоренное выражение положительно

1

LC

>

µ

R

2

L

2

,

то возбуждаются затухающие колебания, частота которых

ω

=

s

1

LC

µ

R

2

L

2

,

(12.29)

а скорость уменьшения амплитуды колебаний определяется множителем

e

Rt/

2

L

,

где

R/

2

L

— декремент затухания этих колебаний.

При нулевом омическом сопротивлении (

R

= 0

) в контуре происходят

свободные незатухающие колебания с частотой

ω

=

1

LC

(12.30)

формула Томсона

.

Рекомендуемая литература: [6] §89.


background image

109

13. Электромагнитные волны в средах

13.1. Электромагнитные волны в диэлектриках в отсут-

ствие дисперсии

Характер электромагнитных волн в среде зависит от типа среды и от ча-

стоты изменения поля. Рассмотрим диэлектрическую среду и будем считать,
что поле меняется во времени медленно (частота поля много меньше частот
колебаний зарядов в среде, или частот обращения электронов в атомах). В
этом случае связь между

D

и

E

и между

B

и

H

можно считать такой же, как

в постоянных полях. Если эта связь сводится к простой пропорциональности,
то можно полагать

D

=

ε

E

,

B

=

µ

H

(13.1)

со статическими значениями

ε

и

µ

. Эти соотношения нарушаются (или, как

говорят, появляется дисперсия

ε

и

µ

) при частотах, сравнимых с собственны-

ми частотами электронных колебаний.

Пусть в диэлектрике нет макроскопических токов и зарядов

ρ

ext

= 0

,

j

ext

= 0

.

(13.2)

В этом случае уравнения Максвелла в среде принимают вид

(13

.

3

.

1)

div

D

= 0

(13

.

3

.

2)

rot

E

=

1

c

B

∂t

(13

.

3

.

3)

div

B

= 0

(13

.

3

.

4)

rot

H

=

1

c

D

∂t

.

(13.3)

Подставляя сюда (13.1), получим систему уравнений

(13

.

4

.

1)

div

E

= 0

(13

.

4

.

2)

rot

E

=

1

c

B

∂t

(13

.

4

.

3)

div

B

= 0

(13

.

4

.

4)

rot

B

=

µε

c

E

∂t

.

(13.4)

Преобразуем (13.4.1)-(13.4.4) таким же способом, как при исследовании элек-
тромагнитных волн в вакууме. Поскольку уравнения (13.4.2), (13.4.3) такие
же, как для вакуума (а именно их использовали для введения потенциалов
поля), то можем записать

B

= rot

A

,

E

=

1

c

A

∂t

− ∇

ϕ .


background image

110

Используя неоднозначность определения потенциалов, в случае электромаг-
нитных волн можно избавиться от скалярного потенциала, положив

ϕ

= 0

, и

оперировать только векторным потенциалом, который подчиняется условию

div

A

= 0

.

(13.5)

Тогда

B

= rot

A

,

E

=

1

c

∂A

∂t

.

Подставляя эти соотношения в (13.4.4) и учитывая (13.5), приходим к

A

εµ

c

2

2

A

∂t

2

= 0

.

Таким образом, векторный потенциал удовлетворяет волновому уравнению

f

1

v

2

2

f

∂t

2

= 0

.

Поэтому электромагнитное поле в диэлектрике представляет собой волну,
распространяющуюся со скоростью

v

=

c

εµ

=

c

n

,

где

n

=

εµ

(13.6)

— показатель преломления. Поскольку мы считаем

ε

и

µ

постоянными, то в

этом приближении показатель преломления не зависит от частоты.

Выясним свойства электромагнитных волн в диэлектрике. Рассмотрим

плоскую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси

x

:

A

=

A

(

x

vt

)

. Поскольку векторный потенциал удовлетворяет условию

(13.5), то

∂A

x

∂x

= 0

,

или

A

0

= 0

, где штрихом обозначена производная по аргументу

ξ

=

x

vt

.

Таким образом,

A

0

n

,

(13.7)

где

n

— единичный вектор в направлении распространения волны. Вычисляя

E

и

B

в плоской волне, получим

E

=

1

c

A

∂t

=

v

c

A

0

=

1

εµ

A

0

n

,