Физически величини и параметри, скаларни и векторни величини, скаларни и векторни полета

Скаларни и векторни физични величини

Една от основните цели на физиката е да установи моделите на наблюдаваните явления. За това при разглеждане на различни случаи се въвеждат характеристики, които определят хода на физическите явления, както и свойствата и състоянието на веществата и средите. От тези характеристики могат да се разграничат правилните физически величини и параметричните величини. Последните се определят от така наречените параметри или константи.

Действителните количества означават онези характеристики на явленията, които определят явленията и процесите и могат да съществуват независимо от състоянието на околната среда и условията.

Те включват например електрически заряд, напрегнатост на полето, индукция, електрически ток и др. Околната среда и условията, при които явленията, определени от тези величини, настъпват, могат да променят тези количества главно само количествено.

Под параметри имаме предвид такива характеристики на явленията, които определят свойствата на средите и веществата и влияят на връзката между самите количества. Те не могат да съществуват независимо и се проявяват само в действието си върху действителния размер.

Параметрите включват например електрически и магнитни константи, електрическо съпротивление, коерцитивна сила, остатъчна индукция, параметри на електрическите вериги (съпротивление, проводимост, капацитет, индуктивност на единица дължина или обем в дадено устройство) и др.

Стойностите на параметрите обикновено зависят от условията, при които се случва това явление (от температура, налягане, влажност и т.н.), но ако тези условия са постоянни, параметрите запазват стойностите си непроменени и затова се наричат ​​също постоянни .

Количествените (числени) изрази на величини или параметри се наричат ​​техните стойности.

Физическите величини могат да бъдат дефинирани по два начина: някои — само чрез числова стойност, а други — както чрез числова стойност, така и чрез посока (позиция) в пространството.

Първият включва такива количества като маса, температура, електрически ток, електрически заряд, работа и пр. Тези величини се наричат ​​скаларни (или скаларни). Скаларът може да бъде изразен само като единична числова стойност.

Вторите величини, наречени вектор, включват дължина, площ, сила, скорост, ускорение и т.н. на действието му в космоса.

Пример (сила на Лоренц от статия Сила на електромагнитното поле):

Скаларните величини и абсолютните стойности на векторните величини обикновено се означават с главни букви от латинската азбука, докато векторните количества се изписват с тире или стрелка над символа на стойността.

Скаларни и векторни полета

Полетата, в зависимост от типа физическо явление, което характеризира полето, са скаларни или векторни.

В математическото представяне полето е пространство, всяка точка от което може да се характеризира с числови стойности.

Тази концепция за поле може да се приложи и при разглеждане на физически явления.Тогава всяко поле може да бъде представено като пространство, във всяка точка от което се установява ефектът върху определена физическа величина, дължащ се на даденото явление (източникът на полето). В този случай на полето се дава името на тази стойност.

И така, нагрятото тяло, което излъчва топлина, е заобиколено от поле, чиито точки се характеризират с температура, поради което такова поле се нарича температурно поле. Полето, обграждащо тяло, заредено с електричество, при което се открива силов ефект върху неподвижни електрически заряди, се нарича електрическо поле и т.н.

В съответствие с това, температурното поле около нагрятото тяло, тъй като температурата може да бъде представена само като скаларна, е скаларно поле, а електрическото поле, характеризиращо се със сили, действащи върху зарядите и имащи определена посока в пространството, е наречено векторно поле.

Примери за скаларни и векторни полета

Типичен пример за скаларно поле е температурното поле около нагрято тяло. За да определите количествено такова поле, в отделни точки на картината на това поле можете да поставите числа, равни на температурата в тези точки.

Този начин на представяне на областта обаче е неудобен. Затова обикновено правят това: приемат, че точките в пространството, при които температурата е една и съща, принадлежат на една и съща повърхност. В този случай такива повърхности могат да се нарекат равни температури. Линиите, получени от пресичането на такава повърхност с друга повърхност, се наричат ​​линии с еднаква температура или изотерми.

Обикновено, ако се използват такива графики, изотермите се провеждат на равни температурни интервали (например на всеки 100 градуса). Тогава плътността на линиите в дадена точка дава визуално представяне на естеството на полето (скорост на промяна на температурата).

Пример за скаларно поле (резултати от изчисляване на осветеността в програмата Dialux):

Като примери за скаларно поле може да се посочи и гравитационното поле (полето на гравитационната сила на Земята), както и електростатичното поле около тялото, на което се придава електрически заряд, ако всяка точка от тези полета се характеризира чрез скаларно количество, наречено потенциал.

За формирането на всяко поле трябва да изразходвате определено количество енергия. Тази енергия не изчезва, а се натрупва в полето, като се разпределя в целия й обем. Той е потенциален и може да бъде върнат от полето под формата на работата на силите на полето, когато в него се движат маси или заредени тела. Следователно полето може да бъде оценено и чрез потенциална характеристика, която определя способността на полето да върши работа.

Тъй като енергията обикновено е неравномерно разпределена в обема на полето, тази характеристика се отнася до отделните точки на полето. Количеството, представляващо потенциалната характеристика на точките на полето, се нарича потенциал или потенциална функция.

Когато се прилага към електростатично поле, най -разпространеният термин е „потенциал“, а към магнитно поле — „функция на потенциала“. Понякога последната се нарича още енергийна функция.

Потенциалът се отличава със следната характеристика: стойността му в полето е непрекъсната, без скокове, променя се от точка до точка.

Потенциалът на точка на полето се определя от количеството работа, извършена от силите на полето при преместване на единична маса или единичен заряд от дадена точка до точка, където това поле отсъства (тази характеристика на полето е нула), или която трябва да бъде изразходвани за действие срещу силите на полето, за да се прехвърли единичната маса или заряд към дадена точка на полето от точка, където действието на това поле е нула.

Работата е скаларен, така че потенциалът също е скаларен.

Полетата, чиито точки могат да се характеризират със стойностите на потенциала, се наричат ​​потенциални полета. Тъй като всички потенциални полета са скаларни, термините «потенциал» и «скалар» са синоними.

Както в случая с разгледаното по -горе температурно поле, във всяко потенциално поле могат да се намерят много точки със същите потенциали. Повърхностите, върху които са разположени точките с равен потенциал, се наричат ​​еквипотенциални, а пресичането им с равнината на чертежа се нарича еквипотенциални линии или еквипотенциали.

Във векторно поле стойността, характеризираща това поле в отделни точки, може да бъде представена с вектор, чийто произход е поставен в дадена точка. За да се визуализира векторното поле, човек прибягва до конструиране на линии, които са начертани така, че допирателната във всяка от нейните точки съвпада с вектора, характеризиращ тази точка.

Линиите на полето, начертани на определено разстояние една от друга, дават представа за естеството на разпределението на полето в пространството (в района, където линиите са по -дебели, стойността на векторното количество е по -голяма и където линиите са по -редки , стойността му е по -малка).

Вихрови и вихрови полета

Полетата се различават не само по формата на физическите величини, които ги определят, но и по природа, тоест те могат да бъдат или иротационни, състоящи се от несмесващи се паралелни струи (понякога тези полета се наричат ​​ламинарни, тоест наслоени), или вихър (турбулентен).

Едно и също иротационно поле, в зависимост от характеризиращите го стойности, може да бъде както скаларно-потенциално, така и векторно-иротационно.

Скаларният потенциал ще бъде електростатично, магнитно и гравитационно поле, ако те се определят от енергията, разпределена в полето. Същото поле (електростатично, магнитно, гравитационно) обаче е векторно, ако се характеризира със сили, действащи в него.

Безвихрово или потенциално поле винаги има скаларен потенциал. Важна характеристика на скаларната потенциална функция е нейната непрекъснатост.

Пример за вихрово поле в областта на електрическите явления е електростатично поле. Пример за вихрово поле е магнитно поле с дебелина на проводник с ток.

Има така наречените смесени векторни полета. Пример за смесено поле е магнитно поле извън проводници на ток (магнитното поле вътре в тези проводници е вихрово поле).