Определение понятия поля
Переходя к физическим основам концепции современного естествознания, заметим, что в физике существуют фундаментальные понятия. К ним относятся постоянно рассматриваемые в нашем курсе пространство, время и понятие «поле». В механике дискретных объектов, механике Галилея, Ньютона, Декарта, Лапласа, Лагранжа, Гамильтона и других представителей физического классицизма установлено, что силы взаимодействия между дискретными объектами вызывают изменение параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса) и энергии.
И это было наглядно и понятно. Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут и без непосредственного контакта. В этом случае мы как бы переходим от представления близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к понятию поля.
Физическим полем называют особую форму материи, связывающую частицы (объекты) вещества в единые системы и передающую с конечной скоростью действие одних частиц на другие.
Такие определения слишком общие и не всегда выражают глубинную и конкретно-практическую сущность понятия. Физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и для объяснения различных явлений вводили такие модели, как электрическая и магнитная «жидкости»; для механических колебаний частичек среды — модель эфира; использовали понятия оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения; и даже биологи вводили «жизненную силу» для объяснения процессов в живых организмах. Все это были попытки описать передачу действия через материальную («механическую») среду.
|
|
|
Однако в работах Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет представляет электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний:
| радиоволны | 103 – 10-4 м |
| световые волны | 10-4 – 10-9 м |
| ИК | 5 • 10-4 - 8 • 10-7 м |
| видимый свет | 8 • 10-7 - 4 • 10-7 м |
| УФ | 4 • 10-7 – 10-9 м |
| рентгеновское излучение | 2 • 10-9 - 6 • 10-12 м |
| γ-излучение | < 6 • 10-12 м |
Что же такое поле? Воспользуемся неким абстрактным представлением (такие же абстракции используются в построении физики микромира и физики Вселенной). Можно сказать, что поле описывается физической величиной, которая в разных точках пространства принимает различные значения. Например, температура — это величина, с помощью которой можно описать поле (в данном случае скалярное) как Т= Τ (х, у, z), или если оно меняется во времени, то Т= Τ (x, у, z, t). Могут быть поля давлений, в том числе и атмосферного воздуха, поле распределения людей на Земле или различных наций среди населения, распределения оружия на Земле, разных песен, животных, всего что угодно. Могут быть и векторные поля, как, например, поле скоростей текущей жидкости. Мы знаем, что скорость (х, у, z) есть вектор. Поэтому записываем скорость движения жидкости в любой точке пространства в момент t в виде (х, у, z, t). Аналогично могут быть представлены и электромагнитные поля. В частности, электрическое поле — векторное, так как кулоновская сила между зарядами есть вектор, определяемый по формуле
|
|
|
,
где 
— электрический заряд, 
— напряженность электрического поля.
Людям трудно было мысленно представить поведение полей, и оказалось, что надо просто рассматривать поле как математические функции координат и времени какого-то параметра, описывающего явление или эффект.
Можно предположить и наглядную простую модель векторного поля и дать его описание. Мысленную картину поля можно представить, начертив во многих точках пространства векторы, которые определяют какую-то характеристику процесса взаимодействия или движения (для потока жидкости — это вектор скорости; электрические явления можно модельно
|
|
|
|
| Рис. 7.1 Модель силовых линий поля |
рассматривать как заряженную жидкость со своим вектором напряженности поля и т.д.). Заметим, что определение параметров движения через координаты и импульс в классической механике — это метод Лагранжа, а через векторы скоростей и потоки — это метод Эйлера. Например, модельным представлением электрического поля являются силовые линии (рис. 7.1). По густоте касательных к ним можно судить об интенсивности течения жидкости. Число линий на единицу площадки, расположенной
перпендикулярно к ним, будет пропорционально напряженности электрического поля Е. Хотя картина силовых линий, введенных в 1852 г. М. Фарадеем (1791—1867),очень наглядна, следует понимать, что это лишь условная картина, простая физическая модель (и следовательно, абстрактная), так как, конечно, не существует в природе каких-то линий, нитей, простирающихся в пространстве и способных оказать воздействие на другие тела. Они лишь облегчают рассмотрение процессов, связанных с полями сил.
|
|
|
В рамках такой физической модели можно определить, какое количество жидкости втекает или вытекает из некоторого объема вокруг выбранной точки в поле скоростей или напряженностей. Это связано с представлением о наличии в каком-то объеме источников жидкости и ее стоков, что приводит нас к широко используемым понятиям векторного анализа полей: потока и циркуляции. Несмотря на некоторую абстракцию на самом деле они наглядны, имеют понятный физический смысл и достаточно просты. Под потоком понимают общее количество жидкости, вытекающей в единицу времени через некоторую воображаемую поверхность около выбранной точки. Математически это записывается так:
,
т.е. количество вытекающей жидкости (поток) равно произведению скорости 
на площадь поверхности 
, через которую жидкость вытекает.
С понятием потока связано и понятие циркуляции. Зададим вопрос: циркулирует ли, т.е. проходит ли, жидкость сквозь поверхность выбранного объема? Физический смысл циркуляции состоит в том, что она определяет меру движения (т.е. опять-таки связана со скоростью) жидкости через замкнутый контур (линию L в отличие от потока через поверхность S). Математически это тоже можно записать так: 
Конечно, понятия потока и циркуляции несколько абстрактны, но они дают правильные результаты.
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 33; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!