lVa sekundy zjawisko będzie miało przebieg przed
stawiony na ryc. 12. Oczywiście z pośród busolek, rozmieszczonych w przestrzeni, wychylać się będą ko
lejno tylko te, przez które przebiegają w danym mo
mencie okręgi huraganu magnetycznego (ryc. 13).
Wszystkie powyższe rozważania odnoszą się w ca
łej rozciągłości także i do pól elektrycznych. Należy tylko zamiast elektromagnesów użyć nabojów elek
trycznych, a zam iast busolek np. odpowiednio czułych wahadełek elektrycznych. (Praktycznie jest również niewykonalne, bo niema takich wahadełek).
R o z d z i a ł V.
Znam iona pól.
W rozdziale tym rozważymy te wszystkie cechy, które stanowią niejako metrykę każdego pola. Poznamy mianowicie pewne charakterystyczne znamiona, na podstawie których można będzie orzec, czy i jakie zachodzą różnice pomiędzy dowolnemi dwoma polami elektrycznemi, wzgl. pomiędzy polami magnetycznemi.
Oto przedewszystkiem tak pola elektryczne jak i magnetyczne, wzgl. ich linje sił, posiadają pewne kierunki w przestrzeni. W ahadełka bowiem, wzgl. bu
sole, rozmieszczone w dowolnych miejscach pola, od
chylałyby się w jedną lub w drugą stronę, zależnie od kierunku biegu (zwrotu) linij sił danego pola. (Ana
logicznie, jak linjom sił elektrycznych, przypisujemy także linjom sił magnetycznych taki kierunek biegu, w którym poruszałby się północny biegun magne
38 Znamiona pól.
tyczny, wprowadzony w celach kontrolnych w badane miejsce pola).
Powtóre, oprócz kierunków, także natężenia pól mogą być między sobą różne. Prawda, że natężenie nawet tego samego pola słabnie w miarę oddalania się od jego źródła, jednakże chodzi tutaj właśnie o po
równanie źródeł pól — podobnie jak porównywamy ze sobą dwie lampy pod względem intensywności wy
chodzącego z nich światła. Silniejsze źródło pola wy
syła „większą ilość“ linij sił, w skutek czego ich gę
stość jest naw et w znacznych od źródła odległościach dostatecznie wielka. Wzmacniając zatem lub osłabia
jąc źródło pola, zwiększamy wzgl. zmniejszamy zara
zem także natężenie pola we wszystkich jego miejscach.
Następnie — o ile chodzi o pola zmienne — to pola takie mogą pojawiać się i zanikać z dowolną częstością. Wszystko zależy od zachowania się źródeł, od których pola pochodzą.
Tak np. jedno pole może pojawiać się i zanikać naprzem ian 5 razy na sekundę, drugie natom iast co pół sekundy. Jedno może za każdym razem zmieniać swój kierunek, a drugie nie; oba mogą chwilami słab
nąć (nie zmieniając kierunku), lecz jedno może słab
nąć więcej, a drugie m niej; jedno może zmieniać się perjodycznie, drugie nieperiodycznie i t. p. Wszystkie te zmiany możemy dowolnie sami wywoływać, ma
newrując odpowiednio u źródła pola.
Wreszcie jest jeszcze jedna, bardzo ważna cecha pól elektrycznych i magnetycznych. Dotychczas po
mijaliśmy milczeniem proces tworzenia się i zanika
nia pola. Przeskakiwaliśmy z rozmysłem pewne okresy czasu, mianowicie okres od chwili, kiedy pola jeszcze
Znamiona pól. 39
nie było, do chwili, kiedy ono już istniało w ostatecz
nej niejako formie, t. j. w pełni swego nasilenia. To samo dotyczy procesu zanikania pola.
Zatrzymajmy się teraz nad stadjum tworzenia się pola.
Wiadomo, że w przyrodzie nie pojawia się nic na
gle, odrazu, w dojrzałej postaci lub wykończonej for
mie. Wszystko — zarówno każdy przedmiot, jak i każde zjawisko — przechodzi kolejno przez trzy etapy a to: a) okres tworzenia (powstawania, roz
woju), b) istnienia w formie wykończonej (dojrzałej), c) zanikania. Otóż istnieje bardzo wiele zjawisk, gdzie etap środkowy (dojrzałość) jest stosunkowo bardzo krótki w porównaniu z etapem początkowym i koń
cowym.
Wszak roślina, bytująca zaledwie przez kilka cie
płych miesięcy, przechodzi kolejno fazę kiełkowania, pączkowania i t. d. Zaledwie jednak ukaże się w pełni swej krasy, już pierwsze pożółkłe listeczki zdradzają jej starość.
Wiadomo także powszechnie, że kula karabinowa po
siada prędkość 800 metrów na sekundę. Ale rozważmy, ile w tern jest prawdy. Lot kuli karabinowej trw a na- ogół bardzo krótko. Otóż naw et ten krótki czas lotu rozpada się na 3 etapy. Albowiem kula osiąga naj
większą prędkość dopiero po upływie pewnego czasu od chwili, kiedy ruszyła z miejsca. Ale ta największa prędkość natychm iast maleje (wskutek oporu powie
trza), by po pewnym czasie całkiem zaniknąć. W tym więc wypadku czas całego lotu rozpada się właściwie na dwa tylko okresy mierzalne, t. j. w zrastanie i zmniej
szanie prędkości. Środkowy zaś etap największej pręd
40 Znamiona pól.
kości (800 metrów na sek.) jest tak krótki, że stanowi jedynie punkt zwrotny, z którym graniczą dwa pozo
stałe etapy.
Jakżeż pow stają pola elektryczne, wzgl. magne
tyczne ?
Doświadczenie wykazuje, że ani pole elektryczne, ani magnetyczne nie pojawia się nagle, w całej pełni swego natężenia, ani też nagle nie zanika. Natężenie pola w zrasta zawsze stopniowo do pewnej najwięk
szej wartości; zanika również stopniowo, przyjmując kolejno coraz to mniejsze wartości.
Zdawałoby się, że skoro powyższe rozważania od
noszą się do wszystkich pól bez wyjątku, to umieści
liśmy je tutaj niepotrzebnie. W rozdziale tym bowiem postanowiliśmy zwrócić uw agę na różnice, jakie mogą zachodzić pomiędzy jednem polem a drugiem, a nie na ich cechy wspólne. Ale jeszcze chwila cierpliwo
ści i uwagi przekona nas, że tu właśnie tkwi przebo
gata skala niezliczonych możliwości i najrozmaitszych sposobów narastania, wzgl. zanikania linij sił w polu.
Przykład wyjaśni, o co chodzi.
Niech na jednym brzegu stołu siedzą cztery mu
chy. Przypuśćmy, że zamykamy na chwilę oczy, a otwarłszy je po upływie np. jednej sekundy, znaj
dujemy je wszystkie na przeciwnym brzegu stołu.
Jakiż niewątpliwy wniosek możemy wysnuć z ta kiej obserwacji? Czy wiemy dokładnie, co robiła i jak zachowywała się każda mucha w czasie, gdy mieliśmy oczy zam knięte?
Nie. Jeden tylko wniosek jest pewny, mianowicie ten, że wszystkie muchy się poruszały. Nie wiemy jednak wcale, czy ruchy ich były jednakowe, tory
Znamiona pól. 41
identyczne, prędkości równe i t. d. Dopiero ktoś, kto śledził ich ruchy bez przerwy, powie nam, że np. jedna mucha lazła sobie spokojnie po stole wzdłuż linji pro
stej ruchem jednostajnym, druga posuwała się wpraw
dzie także po linji prostej, ale z początku lazła powoli i dopiero pod koniec pośpieszyła, by na czas stanąć u mety, trzecia zboczyła naw et z drogi, łażąc zygza
kami po stole z różnemi prędkościami, czwarta prze
leciała na skrzydłach ponad stołem, fruwając szybko po pokoju, byleby pod koniec sekundy znaleźć się na pozycji.
Jak widzimy, zgodność ziawisk, obserwowanych w pewnych odstępach czasu, nie świadczy jeszcze by
najmniej o tożsamości tych zjawisk w chwilach, kie
dyśmy ich nie obserwowali. Nie można więc na pod
stawie takich spostrzeżeń wyrokować o identyczności całkowitego przebiegu pewnych wydarzeń.
Podobną ostrożność wnioskowania należy zacho
wać przy rozważaniu tworzenia się i zanikania pól.
Zbyt bowiem pochopnie wydany sąd, na podstawie początkowego i końcowego tylko stanu natężenia pola, nie może być jeszcze miarodajny. Albowiem jedno i to samo natężenie końcowe może powstać na tysiące różnych sposobów, zależnie od czynników, współdzia
łających w procesie tworzenia się pola.
Gdyby linje sił można było policzyć, to liczbowo moglibyśmy to sobie uzmysłowić w następujący spo
sób: Przypuśćmy, że mamy np. cztery elektromagnesy, wytwarzające pola magnetyczne o jednakowych natę
żeniach końcowych. To znaczy, że w momencie naj
większego natężenia każdy z nich wysyła jednakową ilość linij sił magnetycznych, np. po 1000 linij sił.
42 Znamiona pól.
Przypuśćmy jeszcze, że okres w zrastania pola, t. j. czas od chwili załączenia prądu do chwili kulminacyjnego stanu nasycenia pola trw a np. jedną sekundę i że ty leż czasu trw a zanikanie pola.
Zobaczymy zaraz, jak różnorodne mogą być spo
soby tworzenia się każdego z tych pól. Oto w ystar
czy śledzić proces powstawania każdego pola oddziel
nie, bacząc uważnie, w jakiem tempie pojawiają się linje sił magnetycznych, zanim pod koniec sekundy ujawnią się nam w pełnej liczbie 1000. To samo do
tyczy procesu zanikania pola.
Nazwijmy nasze elektromagnesy kolejno literami Eu E2, Es i Eą. Gdybyśmy mogli policzyć co ćwierć sekundy ilość linij sił, wychodzących w danych mo
mentach z każdego elektromagnesu, to otrzymalibyśmy np. następujące w yniki:
Elekrro- magnesy Ilość linij sił magnetycznych
na początku po iU sek. po Va sek. po 3/» sek. po 1 sek.
Ei 0 250 500 750 1000
E) 0 8 40 200 1000
E3 0 800 960 982 1000
Ei 0 347 832 654 1000
Jak widzimy, natężenie pola powstającego z elektro
magnesu Et wzmaga się jednostajnie. Pole z elektrom a
gnesu Et rozwija się bardzo powoli i dopiero w czwar
tej ćwiartce sekundy potężnieje gwałtownie. Pole z elek
trom agnesu E& pojawia się zaraz z miejsca prawie w pełni natężenia i do końca sekundy wzmacnia się
Znamiona pól. 43
już nieznacznie. Wreszcie pole z elektromagnesu EA z początku wzrasta (przez sek.), potem (w trzeciej ćwiartce sekundy) słabnie, lecz pod koniec znowu się wzmaga.
Kombinacja liczb, wypisanych w tabeli, może być oczywiście bardzo różnorodna. Te same liczby, czy
tane w porządku odwrotnym (od 1000 do zera), dają nam zarazem pogląd na różne możliwości zanikania pola.
Rozważmy teraz, jak zachowają się busole pod wpływem działania każdego z tych pól?
Wiadomo już nam, że igła magnetyczna busoli wy
chyla się pod działaniem linij sił magnetycznych tern więcej, im większe jest natężenie pola. Ponieważ zaś w powyższych przykładach natężenia pól są w każdej chwili inne, więc i wielkość kąta odchylenia igły bę
dzie w każdej chwili inna. Zachowanie się igły magne
tycznej w takich wypadkach przedstawia nam ryc. 14.
Kąt wychylenia igły Iu wystawionej na działanie pola Eu będzie co ćwierć sekundy wzrastał równomier
nie, gdyż przyrosty linij sił magnetycznych są co ćwierć sekundy równe. Igła I2 będzie pod działaniem pola E3 wychylać się z początku powoli i leniwie, a dopiero pod koniec sekundy ustaw i się pod tym samym k ą
tem, co igła It . Wychylenie igły Is będzie pod działa
niem Es z początku zaraz silne, a później powiększy się jeszcze bardzo nieznacznie, by dorównać wychy
leniom igieł ii i / 8. Wreszcie igła / 4 (pod działaniem pola Ei) wychyli się szybko o dość duży kąt, który przez pierwszą połowę sekundy ciągle wzrasta, w trze
ciej ćwiartce sekundy maleje (igła cofa się), a pod koniec znowu szybko rośnie.
Gdybyśmy do końca igły magnetycznej przymoco
4 4 Znamiona pól.
wali lekki ołówek, skierowany ostrzem na przesuwa
jący się pod nim pasek papieru (ryc. 15), to ołówek wykreśliłby za każdym razem coraz to inną figurę.
Mianowicie, gdyby pola zaczęły zanikać bezpo
średnio po osiągnięciu największego natężenia, to igły
Na początku Po ' U sek. Po ' h sek. P o 3/a sek. P o 1 sek.
Ei i
li
>
( ./ X 1,
E2
-<
12 : l
<
h J
>
J J
bE3 <
b •
►
13 13 h b
E*
U t
»
/
U uy
U.Rys. 14. Kolejne położenia 4-ch igieł magnetycznych.
magnetyczne, wychyliwszy się z położenia równo
wagi, wracałyby natychm iast do położenia pierwotnego, a ołówki, przytwierdzone do igieł, wykreśliłyby fi
gury, przedstawione na rycinie 16. Gdybyśmy zaś, nie zmieniając natężenia, zmienili tylko bieguny elektro
magnesów Et , Eu, Ei i Ei (t. j. zamiast północnych — bieguny południowe), to igły magnetyczne wychyla
Znamiona pól. 45
łyby się w przeciwne strony, kreśląc figury takie same, lecz odwrócone (ku dołowi).
Przy periodycznych zaś zmianach biegunów igły magnetyczne wychylałyby się naprzemian raz w lewo, raz w prawo, kreśląc figury przedstawione na ryc. 17.
Częstość zmian może być oczywiście dowolna. Im większa będzie częstość zmian, tern szybsze będą po
ruszenia igły, tern więcej zygzaków wykreśli ona na papierze. Gdybyśmy busolę umieścili w większej od
ległości od źródła pola, to wskutek słabszego
oddzia-Ei E2 Es e4
/ W \
Rys. 16. Wykres pól zanikających bezpośrednio po osiągnięciu największego natężenia.
ływania pola, kąty wychylenia igły byłyby odpowiednio mniejsze, a figury, kreślone na papierze, odpowiednio niższe.
Jak widzimy, zapomocą takich linij krzywych można doskonale odzwierciedlić wszystkie własności pola.
I naodwrót, mając taką linję zygzakowatą przed oczyma, możemy z niej wyczytać całą charakterystykę
46 Znamiona pól.
pola, a więc jego kierunkowość, największą wartość natężenia, częstotliwość zmian i zmienność natężenia podczas w zrastania i zanikania pola.
Wszystko to odnosi się także i do pól elektrycznych.
Należałoby tylko elektromagnesy zastąpić nabojami
Ryc. 17. Zmienne pola magnetyczne.
elektrycznemi, a busolę kontrolną odpowiedniem w a
hadełkiem elektrycznem. Malutki i lekki ołówek, przy
twierdzony do wahadełka, kreśliłby przeróżne zygza
kowate linje, które byłyby obrazem zmian, zachodzą
cych w polu elektrycznem.
Linje tej postaci nazywamy linjami falowemi, po
Znamiona pól. 47
nieważ są one wiernym obrazem wszelkiego rodzaju fal. Można więc zapomocą linij falowych przedstawić falowanie wody, powietrza i t. p., a naw et — jak wi
dzieliśmy — można w nich wyrazić ustrój zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych, uwydatniając wszel
kie ich właściwości i najsubtelniejsze odcienie. Co wię
cej — metody rachunkowe, stosowane do badania ru chów falowych ciał materjalnych, dają się stosować za pośrednictwem tych linij także do matematycznego traktow ania pól elektrycznych i magnetycznych.
Stąd to właśnie pochodzi uzasadnienie, źe takie naprzemian pojawiające się i zanikające pola ma
gnetyczne możemy nazwać falowaniem m agnetycznem ; zmienne zaś (naprzemian powstające i zanikające) pola elektryczne nazywamy falowaniem elektrycznem.
Obrazowo wygląda to istotnie tak, jakgdyby z źródła pola rozchodziły się jakieś kręgi falowe, na wzór np. fal powietrznych, wywoływanych warkotem unoszącego się wgórze aeroplanu. Zasadnicza jednak różnica między jednem zjawiskiem a drugiem leży w tem, że fale po
wietrzne polegają na szybkich zagęszczeniach i roz- rzedzeniach, spowodowanych drganiem cząsteczek po
wietrza, podczas gdy falowanie elektryczne i m agne
tyczne odbywa się naw et w bezwzględnej próżni, po
zbawionej wszelkich śladów materji. Nie można więc tu mówić o żadnych drganiach, skoro w próżni nie znajduje się nic, coby mogło drgać.
Ograniczamy się przeto jedynie i wyłącznie do tego, co daje nam doświadczenie. A doświadczenie wyka
zuje, że w pewnych warunkach każda przestrzeń, na
wet opróżniona z materji, może być siedliskiem dziw
nych i niesamowitych sił, wywierających charaktery
4 8 Wzajemne oddziaływanie pól elektr. i magnet.
styczne działanie na odpowiednie przyrządy kontrolne.
Dzięki tym przyrządom kontrolnym mamy możność bliższego poznania tych sił, a więc możemy zmierzyć ich wielkość, wyznaczyć kierunek ich działania, zba
dać sposób powstawania i t. d. Dla ułatwienia tych badań posługujemy się naw et rachunkiem i rysunkiem, nie troszcząc się zupełnie o istotę tych sił. Przecież chodzi nam tylko o to, aby się dowiedzieć, „jak jest“.
Pytanie zaś, „co tam je st“, albo „dlaczego jest tak, a nie inaczej“ — pozostawmy filozofom.
Na zakończenie tego rozdziału zwracamy jeszcze raz uwagę czytelnika, że wyżej opisane „doświadcze
n ia“ (t. j. badanie pól zapomocą busolek wzgl. w ahade
łek elektrycznych) w rzeczywistości wykonać się nie dad zą—głównie z powodu zbyt wielkiej bezwładności busolek (wahadełek), jakiemi w praktyce rozporzą
dzamy. Do takich doświadczeń należałoby użyć „bu
solek atomowych“, wzgl. „wahadełek atomowych“.
Niemniej jednak takie pomyślane tylko doświadcze
nia posiadają taką sam ą wartość, jakąby posiadały, gdyby faktycznie zostały wykonane.
R o z d z i a ł VI.