Силовые поля. Поле как форма существования материи. Поле как форма существования материи осуществляющая силовое взаимодействие между материальными объектами. Характеристики силовых полей

Взаимодействия элементов вещества (материальных точек, тел, частиц, зарядов) зависят от их взаимного расположения и движения.

Количественной мерой влияния одного тела на движение другого является сила взаимодействия.

Таким образом, свойства тела не локализованы только там, где находится центр его массы покоя, а распределены также и в пространстве, окружающем тело, образуя так называемое силовое поле. Силовому полю присущи свойства материи: пространственно-временная протяженность, инерция, движение, энергия и действие.

В физике рассматривают три вида силовых полей: гравитационное, электромагнитное и специфическое ядерное, или мезонное.

Силовое, потенциальное гравитационное поле создается взаимодействующими массами покоя тел, и поэтому является характерным для тел с большими массами и со значениями скорости движения гораздо меньшими, чем скорость распространения света в вакууме. В микромире силы тяготения теряют свое значение.

Для количественной характеристики поля тяготения в каждой его точке вводят две величины: напряженность и потенциал поля тяготения.

Напряженностью поля тяготения в данной точке называется векторная физическая величина, равная по величине и направлению силе, действующей на единичную массу, помещенную в данную точку поля:

. (7.55)

В соответствии со вторым законом Ньютона напряженность поля тяготения представляет собой ускорение силы тяжести, которое направлено всегда к массе, создающей его и одинаково для всех тел, помещенных в данную точку поля.

Подставив в формулу (7.55) численные значения массы и радиуса Земли, будем иметь значение ускорения силы тяжести Земли на её поверхности, ускорение свободного падения.

Если тела движутся вокруг какого-либо тела, то сила тяготения создает центростремительную силу, заставляющую их совершать вращательное движение вокруг этого тела. При круговой траектории движения ускорение силы тяжести является центростремительным ускорением

. (7.56)

Второй характеристикой силового потенциального поля является потенциал.

Потенциалом поля тяготения называют скалярную физическую величину, равную потенциальной энергии единичной массы, помещенной в данную точку поля.

Следовательно, для нахождения формулы потенциала необходимо найти формулу потенциальной энергии двух тяготеющих масс.

Известно, что изменение потенциальной энергии системы (двух тяготеющих масс) равно работе консервативных сил, взятой с обратным знаком:

dW_p = - dA. (7.57)

. (7.58)

. (7.59)

Так как начальное и конечное состояния тяготеющих масс было выбрано произвольно, то можно утверждать, что в общем случае

. (7.60)

Таким образом, потенциальная энергия тяготеющих масс отрицательна и увеличивается с увеличением r. При r®¥, W_p®0.

Потенциал поля тяготения

, (7.61)

т.е. потенциал поля тяготения тоже с увеличением расстояния увеличивается и при r®¥ равен нулю.

Так как одна и та же точка поля тяготения одновременно характеризуется напряженностью и потенциалом, то между ними должна существовать связь, вытекающая из понятий напряженности и потенциала. Очевидно, что

. (7.62)

В общем случае связь между напряженностью и потенциалом поля тяготения выражается соотношением

g = - gradj. (7.63)

Знак “ – “означает, что напряженность поля тяготения направлена в сторону уменьшения потенциала и обусловливает все трудности запуска космических аппаратов с поверхности Земли. Он показывает, что тело находится в энергетическом плену у Земли. Чтобы оно покинуло её, необходимо совершить работу, равную изменению потенциальной энергии системы “тело-Земля”. Говорят, например, что тело находится в «потенциальной яме», глубина которой равна W_p. Чтобы покинуть эту «потенциальную яму», тело должно преодолеть потенциальный барьер, высотa которого равна глубине «потенциальной ямы».

Представление о «потенциальной яме» относится не только к полю тяготения. Любые, связанные между собой тела находятся в «потенциальных ямах» друг друга. Например, молекулы жидкости находятся в «потенциальной яме», поэтому для их выхода за пределы свободной поверхности необходимо затратить определенную энергию, т.е. совершить работу выхода - работу на испарение. Свободные электроны в металлах находятся в «потенциальной яме». Для выхода из металла им необходимо совершить работу выхода.