В простейшем случае линейных
полей в среде без дисперсии свободная энергия
имеет вид
,
в изотропной среде происходит дополнительное упрощение
.
В входит
не только энергия самого поля, но и свободная энергия вещества, связанная с
полем.
Если - плотность энергии и плотность энтропии,
то имеет место термодинамическое соотношение
,
где -
температура,
. Если
и
не зависят от температуры, то
.
В случае переменных
во времени полей и при наличии дисперсии ситуация усложняется. При этом
величина не представляет собой полный дифференциал,
хотя сохраняет смысл работы по изменению индукциий
и
(работа, совершаемая над системой).
Согласно первому началу термодинамики
,
где -
изменение внутренней энергии,
- изменение теплоты,
выделяемой в единичном объеме вещества. Следует подчеркнуть, что
не является полным дифференциалом, какой
либо функции. Знание
не позволяет определить обе
величины
и
порознь,
так как нужно знать еще динамику вещества (это определяет энергию вещества в
поле).
10.6. Фазовая и групповая скорости. Различные способы введения понятия групповой скорости. Скорость переноса энергии.
1). Понятие фазовой скорости
относится к плоской монохроматической волне .
Рассмотрим закономерность перемещения поверхности равной фазы
.
,
где
- фазовая скорость данной плоской
монохроматической волны. Так как для конкретной среды
и
связаны дисперсионным соотношением, то
фазовая скорость является функцией частоты и волнового вектора, в общем случае
эта функция может быть комплексной. Произвольное поле
может
быть представлено как суперпозиция плоских монохроматических волн.
Рассмотрим
процесс в среде с временной дисперсией. Для простоты ограничимся случаем и воспользуемся представлением
. (10.9)
Где
- дисперсионное алгебраическое уравнение
для данной сплошной однордной среды. Это уравнение может иметь несколько
корней, соответствующих различным типам волн и различным направлениям их
распространения. Рассмотрим только одну волну, описываемую корнем
дисперсионного уравнения
. Первое интегрирование
(10.9) по вычету можно проводить либо по
, либо
по
. Сделаем первое интегрирование по
и для одного типа волны получим
. (10.10)
Выясним
смысл функции , для этого рассмотрим (10.10) в
момент времени
.
Согласно теореме Фурье этот интеграл можно обратить и найти
.
Эта
формула определяет фурье – образ функции
.
2).
Сначала рассмотрим простейший случай, когда отсутствует дисперсия (при этом
). Рассмотрение случая отсутствия дисперсии
позволить выяснить простейшие идеализированные закономерности. В этом случае
возможно представление (10.10) в виде
.
Здесь
учтено, что при имеет место
.
Первое
слагаемое представляет собой некоторую функцию, зависящую от А второе – функцию от
:
,
.
Первое
слагаемое описывает волну, распространяющуюся вдоль положительного направления
оси , а второе – волну, бегущую в
противоположном направлении. Обе эти волны не меняют формы в процессе своего
распространения со скоростью
в среде без дисперсии.
Конечно, этот результат может быть получен и не прибегая к преобразованию Фурье
– это следует непосредственно из волнового уравнения для поля
.
3).
В реальной ситуации идеализация среды без дисперсии нарушается. Как уже
отмечалось выше, в любом веществе в пределе диэлектрическая
проницаемость стремится к проницаемости вакуума. Уже этот факт указывает на
наличие временной дисперсии. Существование дисперсии это следствие общих
физических принципов. Рассмотрим среду с дисперсией, но сначала ограничимся
простейшим случаем суперпозиции только двух плоских монохроматических волн с
близкими частотами и волновыми векторами и одинаковыми амплитудами:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.