Fizikalne količine in parametri, skalarne in vektorske količine, skalarna in vektorska polja

Skalarne in vektorske fizikalne količine

Eden glavnih ciljev fizike je ugotoviti vzorce opazovanih pojavov. Za to so pri preučevanju različnih primerov uvedene značilnosti, ki določajo potek fizikalnih pojavov, pa tudi lastnosti in stanje snovi in ​​okolij. Iz teh značilnosti je mogoče ločiti pravilne fizikalne količine in parametrične količine. Slednji so definirani s tako imenovanimi parametri ali konstantami.

Dejanske količine pomenijo tiste značilnosti pojavov, ki določajo pojave in procese in lahko obstajajo neodvisno od stanja okolja in pogojev.

Sem spadajo na primer električni naboj, poljska jakost, indukcija, električni tok itd. Okolje in pogoji, v katerih se pojavljajo pojavi, ki jih določajo te količine, lahko te količine spremenijo predvsem le kvantitativno.

S parametri razumemo takšne značilnosti pojavov, ki določajo lastnosti medijev in snovi ter vplivajo na razmerje med samimi količinami. Ne morejo obstajati neodvisno in se kažejo le v svojem delovanju na dejansko velikost.

Parametri vključujejo na primer električne in magnetne konstante, električni upor, prisilno silo, preostalo induktivnost, parametre električnega vezja (upor, prevodnost, kapacitivnost, induktivnost na enoto dolžine ali prostornine v napravi) itd.

Vrednosti parametrov so običajno odvisne od pogojev, v katerih se ta pojav pojavi (od temperature, tlaka, vlažnosti itd.), če pa so ti pogoji konstantni, parametri ohranijo svoje vrednosti nespremenjene in se zato imenujejo tudi konstantni .

Kvantitativne (številske) izraze količin ali parametrov imenujemo njihove vrednosti.

Fizikalne količine lahko definiramo na dva načina: nekatere — le s številsko vrednostjo, druge — tako s številsko vrednostjo kot s smerjo (položajem) v prostoru.

Prvi vključuje količine, kot so masa, temperatura, električni tok, električni naboj, delo itd. Te količine se imenujejo skalarne (ali skalarne). Skalar je lahko izražen samo kot ena številska vrednost.

Druge količine, imenovane vektor, vključujejo dolžino, površino, silo, hitrost, pospešek itd. njegovega delovanja v prostoru.

Primer (Lorentzova sila iz članka Jakost elektromagnetnega polja):

Skalarne količine in absolutne vrednosti vektorskih veličin običajno označujemo z velikimi črkami latinice, vektorske količine pa s pomišljajem ali puščico nad simbolom vrednosti.

Skalarna in vektorska polja

Polja so glede na vrsto fizikalnega pojava, ki je polje značilna, skalarna ali vektorska.

V matematični predstavitvi je polje prostor, katerega vsako točko je mogoče označiti s številskimi vrednostmi.

Ta koncept polja lahko uporabimo tudi pri obravnavi fizikalnih pojavov.Takrat lahko vsako polje predstavimo kot prostor, v vsaki točki katerega je ugotovljen učinek na določeno fizikalno količino zaradi danega pojava (vira polja). . V tem primeru polje dobi ime te vrednosti.

Torej segreto telo, ki oddaja toploto, obdaja polje, katerega točke so označene s temperaturo, zato se takšno polje imenuje temperaturno polje. Polje, ki obdaja telo, nabito z elektriko, v katerem je zaznan učinek sile na stacionarne električne naboje, se imenuje električno polje itd.

Skladno s tem je temperaturno polje okoli segretega telesa, ker temperaturo lahko predstavljamo le kot skalar, skalarno polje, električno polje, za katerega so značilne sile, ki delujejo na naboje in imajo določeno smer v prostoru, se imenuje vektorsko polje.

Primeri skalarnih in vektorskih polj

Tipičen primer skalarnega polja je temperaturno polje okoli segretega telesa. Za kvantificiranje takega polja lahko na posameznih točkah slike tega polja postavite številke, ki so enake temperaturi na teh točkah.

Je pa tak način predstavljanja polja neroden. Zato običajno naredijo takole: predpostavijo, da točke v prostoru, kjer je temperatura enaka, pripadajo isti površini.V tem primeru lahko takšne površine imenujemo enake temperature. Črte, dobljene iz presečišča takšne površine z drugo površino, imenujemo črte enake temperature ali izoterme.

Običajno, če se uporabljajo takšni grafi, se izoterme izvajajo v enakih temperaturnih intervalih (na primer vsakih 100 stopinj). Potem daje gostota črt na dani točki vizualno predstavitev narave polja (hitrost spremembe temperature).

Primer skalarnega polja (rezultati izračuna osvetljenosti v programu Dialux):

Primeri skalarnega polja vključujejo gravitacijsko polje (polje zemeljske gravitacijske sile), pa tudi elektrostatično polje okoli telesa, ki mu je podan električni naboj, če je vsaka točka teh polj označena s skalarno količino, imenovano potencial.

Za nastanek vsakega polja morate porabiti določeno količino energije. Ta energija ne izgine, ampak se kopiči v polju in se porazdeli po njegovem volumnu. Je potencial in se lahko vrne iz polja v obliki dela poljskih sil, ko se v njem premikajo mase ali naelektrena telesa. Zato lahko polje ovrednotimo tudi s potencialno lastnostjo, ki določa sposobnost polja za delo.

Ker je energija običajno neenakomerno porazdeljena po volumnu polja, se ta značilnost nanaša na posamezne točke polja. Količino, ki predstavlja potencialno karakteristiko poljskih točk, imenujemo potencial ali potencialna funkcija.

Pri uporabi za elektrostatično polje je najpogostejši izraz "potencial", za magnetno polje pa "potencialna funkcija".Včasih slednjo imenujemo tudi energetska funkcija.

Potencial odlikuje naslednja značilnost: njegova vrednost v polju je zvezna, brez skokov, spreminja se od točke do točke.

Potencial poljske točke je določen z količino dela, ki ga opravijo poljske sile pri premikanju enote mase ali enote naboja od dane točke do točke, kjer tega polja ni (ta lastnost polja je nič), ali ki jih je treba porabiti za delovanje proti silam polja za prenos enote mase ali naboja na dano točko v polju iz točke, kjer je delovanje tega polja nič.

Delo je skalarno, torej je skalaren tudi potencial.

Polja, katerih točke lahko označimo s potencialnimi vrednostmi, imenujemo potencialna polja. Ker so vsa potencialna polja skalarna, sta izraza "potencial" in "skalar" sinonima.

Kot v primeru temperaturnega polja, o katerem smo razpravljali zgoraj, lahko v katerem koli potencialnem polju najdemo veliko točk z enakim potencialom. Površine, na katerih se nahajajo točke enakega potenciala, imenujemo ekvipotenciali, njihovo presečišče z ravnino risbe pa ekvipotencialne črte ali ekvipotenciali.

V vektorskem polju je vrednost, ki označuje to polje v posameznih točkah, lahko predstavljena z vektorjem, katerega izhodišče je postavljeno v dano točko. Za vizualizacijo vektorskega polja se zatečemo k konstrukciji črt, ki so narisane tako, da tangenta v vsaki njeni točki sovpada z vektorjem, ki označuje to točko.

Črte polja, narisane na določeni medsebojni razdalji, dajejo idejo o naravi porazdelitve polja v prostoru (v območju, kjer so črte debelejše, je vrednost vektorske količine večja in kjer so črte so manj pogosti, vrednost je manjša od njega).

Vrtinec in vrtinčna polja

Polja se razlikujejo ne le po obliki fizikalnih količin, ki jih določajo, ampak tudi po naravi, to je, da so lahko nerotacijska, sestavljena iz nemešalnih vzporednih curkov (včasih se ta polja imenujejo laminarna, to je plastna), ali vrtinčasto (turbulentno).

Isto rotacijsko polje, odvisno od njegovih značilnih vrednosti, je lahko tako skalarno potencialno kot vektorsko rotacijsko.

Skalarni potencial bo elektrostatično, magnetno in gravitacijsko polje, če jih določa energija, porazdeljena v polju. Vendar je isto polje (elektrostatično, magnetno, gravitacijsko) vektorsko, če je zanj značilno, da v njem delujejo sile.

Polje brez vrtincev ali potencial ima vedno skalarni potencial. Pomembna lastnost skalarne potencialne funkcije je njena kontinuiteta.

Primer vrtinčnega polja na področju električnih pojavov je elektrostatično polje. Primer vrtinčnega polja je magnetno polje debeline žice, po kateri teče tok.

Obstajajo tako imenovana mešana vektorska polja. Primer mešanega polja je magnetno polje zunaj vodnikov s tokom (magnetno polje znotraj teh vodnikov je vrtinčno polje).