Фейнмановские лекции по физике. 5. Электричество и магнетизм

Фейнман Ричард Филлипс

(2.9)

где е_f — единичный вектор направления потока Вектор h можно определить и иначе — через его компонен­ты. Зададим себе вопрос, сколько тепла протекает через малую поверхность под произвольным углом к направлению потока. На фиг. 2.4 мы изобразили малую поверхность Аa₂ под некото­рым углом к поверхности Da_t, которая перпендикулярна к по­току. Единичный вектор n перпендикулярен к поверхности

Фиг.2.3.Тепловой

поток— векторное поле. Вектор h указывает направление потока. Абсолютная величина его выражает энергию, переносимую за единицу времени через элемент по­верхности, ориентированный попе­рек потока, деленную на площадь элемента поверхности.

Фиг. 2.4. Тепловые потоки сквозь Aа₂ и сквозь Aa₁ одинаковы.

Aа₂. Угол q между n и h равен углу между поверхностями (так как h — нормаль к Da₁). Чему теперь равен поток тепла че­рез Dа₂ на единицу площади? Потоки сквозь Dа₂ и Dа₁ равны между собой, отличаются только площади. Действительно, Dа₁ = Dа₂cosq. Поток тепла через Dа₂ равен

(2.10)

Поясним это уравнение: поток тепла (в единицу времени и на единицу площади) через произвольный элемент поверхности с единичной нормалью n равен h·n. Можно еще сказать так: компонента потока тепла, перпендикулярная к элементу по­верхности Dа₂, равна h·n. Можно, если мы хотим, считать эти утверждения определением h. Сходные идеи мы применим и к другим векторным полям.

§ 3. Производные полей — градиент

Когда поля меняются со временем, то их изменение можно описать, задав их производные по t. Мы хотим также описать и их изменение в пространстве, потому что мы интересуемся связью, скажем, между температурой в некоторой точке и в точке с ней рядом. Как же задать производную температуры по координате? Дифференцировать температуру по х? Или по у, или по z?

Осмысленные физические законы не зависят от ориентации системы координат. Поэтому их нужно писать так, чтобы по обе стороны знака равенства стояли скаляры или векторы. Что же такое производная скалярного поля, скажем, дТ/дх? Скаляр ли это, или вектор, или еще что? Это, как легко понять, ни то ни другое, потому что если взять другую ось х, то дТ/дх изменится. Но заметьте: у нас есть три возможных производ­ных: дТ/дх, дТ/ду и dT/dz. Три сорта производных, а ведь мы знаем, что нужно как раз три числа, чтобы образовать вектор.

Может быть, эти три производные и представляют собой ком­поненты вектора:

(2.11)

Ясно, конечно, что, вообще говоря, не из любых трех чисел можно составить вектор. О векторе можно говорить только тогда, когда при повороте системы координат компоненты пре­образуются по правильному закону. Так что следует просле­дить, как меняются эти производные при повороте системы координат. Мы покажем, что (2.11) — действительно вектор. Производные действительно преобразуются при вращении си­стемы координат так, как полагается.

В этом можно убедиться по-разному. Можно, например, задать себе вопрос, ответ на который не должен зависеть от системы координат, и попытаться выразить ответ в «инвариант­ной» форме. К примеру, если S=A·B и если А и В — векторы, то мы знаем (это доказано в вып. 1, гл. 11), что S — скаляр. Мы знаем, что S — скаляр, не проверяя, меняется ли он при изменении системы координат. Ему ничего иного не остается, раз он является скалярным произведением двух векторов. По­добным же образом, если мы знаем, что А — вектор, и у нас есть три числа B₁, B₂, В₃, и мы обнаруживаем, что

(2.12)

(где S в любой системе координат одно и то же), то три числа b₁, B₂, В₃ обязаны быть компонентами В_х, В_у, В_z некоторого вектора В.

Рассмотрим теперь температурное поле. Возьмем две точки P₁ и Р₂, разделенные маленьким расстоянием DR. Температура в Р₁ есть T₁, а в Р₂ она равна T₂ , и их разница DТ=Т₂– Т_{1 .}Температура в этих реальных физических точках, конечно, не зависит от того, какие оси мы выбрали для измерения коорди­нат. В частности, DT — тоже число, не зависящее от системы координат. Это скаляр.

Выбрав удобную систему координат, мы можем написать

Т₁ = Т(х, у, z) и Т₂=Т(х + Dх, у + Dу, z + Dz),

где Dx:, Dy, Dz — компоненты вектора DR (фиг. 2.5). Вспомнив (2.7), напишем

(2.13)

Слева в (2.13) стоит скаляр, а справа — сумма трех произведе­ний каких-то чисел на Dx;, Dy, Dz, которые являются компонен­тами вектора. Значит,

три числа — тоже х-, у- и z-компоненты вектора.

Фиг. 2.5. Вектор DR с компо­нентами Dх, Dу, Dz.

Мы напишем этот новый вектор при помощи символа СТ. Символ С (называемый набла) — это D вверх ногами; он напоминает нам о дифференцировании. Читают С T по-разному:

«набла T», или «градиент T», или «gradT»:

(2.14)