Трудные темы курса классической механики/Силовые поля: различия между версиями

Содержимое удалено Содержимое добавлено
Выделение раздела в статью
 
Электростатическое поле
Строка 1:
==Силовые поля ==
 
В современной физике принята [[''концепция близкодействия]]'', в соответствие с которой
В макроскопических масштабах современной физике известны два вида полей: [[поле гравитации]] и [[поле электромагнитное]]. Но, поскольку магнитные силы сводятся к движению в системе отсчёта наблюдателя зарядов (т.е. к [[ток]]ам), создающих в общем случае [[переменное электрическое поле]], в качестве пробных объектов для измерения этих полей используется либо масса <math>m</math>, либо масса , несущая заряд <math>q</math>
всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников. В роли этого посредника и выступает [[силовое поле]], порождаемое обоимивзаимодействующими телами .
 
В макроскопических масштабах современной физике известны два вида полей: ''поле гравитации'' и ''поле электромагнитное''.
Для детального описания силового взаимодействия тел в физике повсеместно принята стратегия первоначального рассмотрения задачи в наиболее упрощенной - дифференциальной форме, позволяющей отвлечься от учёта размеров взаимодействующих объектов и расстояния между ними, а затем переходу к суммированию полученных результатов в интегральной форме с учётом реальной геометрии явления. Справедливость такого подхода основана на экспериментально установленном [[закон независимости сил|законе независимости сил]], действие каждой из которых на объект не зависит от действия на него других сил.
И, соответственно, два вида сил - силы электромагнитного происхождения и силы гравитации.Независимо от своего происхождения, эти силы проявляют себя исключительно в механическом смысле, то есть изменяют характер движения обладающих массой физических тел.
Следствием этого является [[правило параллелограмма]], используемое для [[векторное сложение|векторного сложения]] нескольких сил различного направления и величины.
В макроскопических масштабах любая из известных в механике сил может быть сведена к проявлениям этих сил.Однако, это во многих случаях не требуется.
 
Для детального описания силового взаимодействия тел в физике повсеместно принята стратегия первоначального рассмотрения задачи в наиболее упрощенной - дифференциальной форме, позволяющей отвлечься от учёта размеров взаимодействующих объектов и расстояния между ними, а затем к переходу к суммированию полученных результатов в интегральной форме с учётом реальной геометрии явления. Справедливость такого подхода основана на экспериментально установленном [[законпринципе независимостисуперпозиции, сил|законесогласно независимостикоторому сил]], действие каждой из которыхсил на объект не зависит от действия на него других сил.
Чрезвычайно популярным в Физике является понятие о [[физическая точка|физической точке]], т.е. о таком объекте, размеры которого настолько малы, что могут не приниматься во внимание, но остальные его параметры, в первую очередь масса, имеют реальную и достаточную для их учёта величину.
В разделе Физики - Оптике тот же смысл вкладывается в понятие о [[точечный объект|точечном объекте]], т.е. об объекте, [[угловой размер|угловые размеры]] которого <math>\alpha </math> из точки его наблюдения не превышают заданной малой величины. Для грубых оценок достаточно, чтобы поперечные размеры объекта не менее, чем в 10 раз были меньше расстояния его наблюдения т.е. (<math>\alpha </math> <<0,1 рад ). Для более точных оценок эта величина составляет 0,01 рад и менее.
 
Этот принцип выполняется в вакууме, но в средах при больших значениях сил могут наблюдаться нелинейные эффекты, когда закон независимости действия сил на среду не выполняется.Так, например, при высоких значениях мощности лазерного излучения можно наблюдать пробой воздуха в виде искры.
В современной физике принята [[концепция близкодействия]], в соответствие с которой
всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников. В роли этого посредника выступает [[силовое поле]], порождаемое обоими телами.
 
В случае, когда интенсивности полей достаточно низки для того, чтобы не наблюдать нелинейных эффектов, силы взаимодействия некоторого тела с полем не зависят непосредственно от действия поля на другие тела.Однако, появление этих тел меняет структуру поля, что сказывается на величине силы, с которой поле действует на заданное тело
Возможна ситуация, что массы взаимодействующих тел (или же их заряды) существенно отличаются друг от друга по своей величине. В таком случае может оказаться, что появившееся в их окрестности третье тело будет испытывать взаимодействие с первым, независимо от изменения свойств второго, которое может и вообще исчезнуть.
Это будет свидетельством того, что в исходном случае второе тело, рассматриваемое изначально как объект взаимодействия, своим присутствием с заданной степенью приближения не влияет на поле первого тела и потому может рассматриваться как [[«пробный объект»]], служащий как для обнаружения поля источника силы, так и его количественной оценки.
 
Обнаружение рассматриваемых полей связано со внесением в него некоторого обладающего массой тела, называемого ''пробным телом'' и последующим измерением действующей на него механической силы.
Экспериментально установлено, что [[Третий закон Ньютона]] «сила противодействия равна силе действия» выполняется не только при непосредственном контакте взаимодействующих тел. Открытый Ньютоном [[Закон всемирного тяготения ]]отражает реально существующее и фундаментальное свойство Природы, в которой существует действие на расстоянии. В простейшем случае он может быть сведён к взаимодействию только двух тел, любое из которых, удобства ради, может рассматриваться как источник силы, а второе - как объект её воздействия.
В случае [[гравитация|гравитации]] эти тела взаимодействуют непосредственно своими массами, а в случае, если взаимодействие носит электрический характер, то к этому добавляется и взаимодействие несущих их зарядов. Но, поскольку заряд, как таковой, не существует независимо от несущего его тела, то электрическое взаимодействие тел проявляется в виде той же рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения.
 
Физическим свойством пробных объектов , определяющим воздействие полей на пробный объект в случае гравитационного поля является его масса. Для электромагнитных полей в случае неподвижности заряжённых тел - их заряд, а в случае движущихся зарядов, то есть токов - величины этих токов.
==== Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов) ====
 
Отношение величины механической силы к количественной мере того или иного свойства пробного тела называется ''напряжённостью поля.''
 
Напряжённость поля, таким образом, показывает, какова сила воздействие этого поля на пробное тело , обладающее единичной массой в случае гравитационного поля или единичный заряд или единичный отрезок тока в случае поля электромагнитного.
 
Напряжённость поля не зависит от степени обладания пробного объекта характеризующим его свойством, поскольку по мере ослабления этого свойства уменьшается и действующая на пробный объект сила в той же пропорции. В результате пробный объект, как носитель своего свойства, может вообще исчезнуть, но напряженность поля в его месте останется неизменной.
 
В связи с этим силовое поле исчерпывающим образом может быть описано в заданной области пространства заданием его напряжённости в разных точках этого пространства. Без рассмотрения и указания его источников. И поэтому для описания такого поля нет необходимости ограничивать себя случаем взаимодействия исключительно точечных объектов.
 
 
==== Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов) ====
 
Применительно к электростатическому взаимодействию двух «точечных зарядов » используется закон Кулона.
Строка 28 ⟶ 37 :
<math> q_2</math> есть, соответственно, первый и второй заряды, взятые алгебраически (с их знаком), <math> r _{1,2} </math> -расстояние между ними, а <math>k</math> — коэффициент пропорциональности.
 
На первый взгляд эта запись вызывает удивление. В самом деле - слева стоит сила, то есть величина, характерная для механики. Но выражение справа никакого отношения к механике не имеет, поскольку образовано не принадлежащими к механике величинами не используемой в механике размерности.Это, вполне справедливое, несоответствие объясняется тем, что заряд никогда не присутствует отдельно от массы. Поскольку является неотъемлемым свойством некоторых обладающих зарядом и массой покоя величин - электронов , несущих условный отрицательный заряд и протонов - условный положительный заряд.И потому всегда, когда встаёт вопрос о взаимодействии заряженных тел, необходимо располагать сведениями о их массе.
 
Попутно отметим, что электростатические силы в смысле силы взаимодействия на одну пару взаимодействующих частиц буквально в чудовищное число раз превосходят, например, силу гравитационного взаимодействия между теми же частицами.
 
 
<!--
Таким образом, закон указывает, что одноименные заряды отталкиваются (а разноименные – притягиваются).
 
Закон Кулона определяет взаимодействие двух неподвижных точечных заряда в воздухе. В физическом вакууме действие закона Кулона не проверялось. Поэтому использование Закона Кулона для модели строения атома Резерфорда и модели электромагнитного поля Максвела является некорректным.-->
 
В СГСЭ единица измерения заряда выбрана таким образом, что коэффициент <math>k</math> = '''1''' и, как правило, опускается.
 
В СИ <math> k </math> ≈ <math> 8,987551787 </math> <math> 10^9 </math> Н м^2 / Кл^2
 
Поскольку электростатическое поле создаётся и ''уединённым'' электрическим зарядом, целесообразно ввести для его (поля) количественного описание понятие о его
[[напряжённость|напряжённости]] .
 
Напряжённость <math>E</math> электростатического поля заряда <math> q_1</math> измеряется силой <math>F _{1,2} </math>, с которой оно действует или действовало бы на единичный заряд, находящийся на расстоянии <math> r _{1,2} </math> от этого заряда :
 
<math> E </math> = <math> \frac {F _{1,2}}{q_2} = k\cdot\frac{q_1}{r_{1,2}^2}</math>
 
Напряженность поля есть вектор , направленный по линии, соединяющей заряды в сторону, соответствующйсоответствующий направлению действующей между зарядами силе.
 
Если заряды находятся в материальной среде, то в ней под действием создаваемого ими поля наблюдается ''процесс [[поляризация|поляризации]]'' её электическиэлектрически нейтральных молекул , благодаря чему нарушается симметрия входящих в их состав зарядов и молекулы приобретают ''дипольный моиентмомент'', создающий дополнительное поле, складывающееся с собственным полем зарядов. Это эффект учитывается введением представления о ''диэлектрической постоянной среды'' <math>\varepsilon</math>, вводимый в знаменатель формулы.
 
<math> E </math> = <math> \frac {F _{1,2}}{\varepsilon q_2}</math>
 
 
Это явление может приводить к тому, что такая индуцированная поляризация, создаст в некоторой области пространства ситуацию, в которой поле, созданное имеющейся в наличии системой зарядов будет полностью уравновешено полем индуцированных зарядов.
На этом основано применение предложенной Фарадеем и названной по его имени "''клетки Фарадея''", в которой можно полностью экранировать себя от внешнего электростатического поля.
 
 
<!--
Следствием этого является [[правило параллелограмма]], используемое для [[векторное сложение|векторного сложения]] нескольких сил различного направления и величины.
Чрезвычайно популярным в Физике является понятие о [[физическая точка|физической точке]], т.е. о таком объекте, размеры которого настолько малы, что могут не приниматься во внимание, но остальные его параметры, в первую очередь масса, имеют реальную и достаточную для их учёта величину.
В разделе Физики - Оптике тот же смысл вкладывается в понятие о [[точечный объект|точечном объекте]], т.е. об объекте, [[угловой размер|угловые размеры]] которого <math>\alpha </math> из точки его наблюдения не превышают заданной малой величины. Для грубых оценок достаточно, чтобы поперечные размеры объекта не менее, чем в 10 раз были меньше расстояния его наблюдения т.е. (<math>\alpha </math> <<0,1 рад ). Для более точных оценок эта величина составляет 0,01 рад и менее.
 
Возможна ситуация, что массы взаимодействующих тел (или же их заряды) существенно отличаются друг от друга по своей величине. В таком случае может оказаться, что появившееся в их окрестности третье тело будет испытывать взаимодействие с первым, независимо от изменения свойств второго, которое может и вообще исчезнуть.
Это будет свидетельством того, что в исходном случае второе тело, рассматриваемое изначально как объект взаимодействия, своим присутствием с заданной степенью приближения не влияет на поле первого тела и потому может рассматриваться как [[«пробный объект»]], служащий как для обнаружения поля источника силы, так и его количественной оценки.
 
Экспериментально установлено, что [[Третий закон Ньютона]] «сила противодействия равна силе действия» выполняется не только при непосредственном контакте взаимодействующих тел. Открытый Ньютоном [[Закон всемирного тяготения ]]отражает реально существующее и фундаментальное свойство Природы, в которой существует действие на расстоянии. В простейшем случае он может быть сведён к взаимодействию только двух тел, любое из которых, удобства ради, может рассматриваться как источник силы, а второе - как объект её воздействия.
В случае [[гравитация|гравитации]] эти тела взаимодействуют непосредственно своими массами, а в случае, если взаимодействие носит электрический характер, то к этому добавляется и взаимодействие несущих их зарядов. Но, поскольку заряд, как таковой, не существует независимо от несущего его тела, то электрическое взаимодействие тел проявляется в виде той же рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения.
-->
 
==== Гравитационное поле ====
Строка 60 ⟶ 94 :
Для описания интенсивности поля тяготения термин "напряжённость" поля не используется. Вместо него используется термин "Ускорение свободного падения", которое по аналогии с электрическим полем вычисляется по формуле:
 
<math> g </math>= <math>\frac {F _{1,2}} {m_2} =G\cdot\frac{m_1}{r_{1,2}^2} </math>
 
Это- тоже вектор, направленный в сторону притягивающего тела.
 
В отличие от поля электромагнитного гравитационное поле не зависит от свойств среды. Оно всепроникающе и его невозможно ослабить, поставив на его пути любой экран.
 
Между гравитационными и электрическими силами существует, как считал Эйнштейн, связь. Об этом говорит квадратичный характер зависимости интенсивностей его полей. Существует мнение, что именно это предопределяет трёхмерность пространства, в котором происходят все физические явления.