Физические поля. Электромагнитные явления

 

Полевая форма существования материи

Формами существования материи являются вещество, поле и физический вакуум. Под веществом обычно понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя. Поле (физическое) – форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц (тел) на другие. Различают гравитационное, электростатическое, магнитное, электромагнитное поля, поле сильных взаимодействий и другие. Гравитационное поле передает притяжение между массами, электростатическое – между неподвижными зарядами и т.д. Подробно эти вопросы будут изложены в следующих параграфах.

После работ Ньютона и триумфа закона всемирного тяготения в науке утвердилась концепция дальнодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство и происходит мгновенно. Считалось, например, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну.

Открытие и исследование электромагнитного поля привело к другим представлениям о передаче взаимодействия. Было установлено, что перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы не мгновенно, а с некоторым запаздыванием. Каждая заряженная электрическая частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы. Другими словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Позднее эти представления распространили на любые другие взаимодействия, возникла новая концепция близкодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между любыми объектами осуществляется посредством тех или иных полей, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью.

Физические поля удобно изображать графически. Силовой линией физического поля называется воображаемая кривая, касательная к которой совпадает с силовой характеристикой поля. Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек равного потенциала.

Гравитационное поле

Все тела в природе притягивают друг друга. Закон, которому подчиняется это притяжение, был установлен Ньютоном и носит название закона всемирного тяготения. Согласно этому закону сила, с которой две материальные точки притягивают друг друга, пропорциональна массам этих точек и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

 

(2.6.1)

 

Гравитационное взаимодействие осуществляется через гравитационное поле. Всякое тело изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем гравитационное поле. Это поле проявляет себя по силовому действию на помещенное в него другое тело. Силовой характеристикой гравитационного поля является его напряженность, определяемая по формуле

(2.6.2)

 

Напряженность гравитационного поля численно равна силе, действующей со стороны поля на материальную точку массой 1 кг. Единица измерения Н/кг.

Энергетической характеристикой гравитационного поля является его потенциал, численно равный потенциальной энергии материальной точки массой 1 кг в данной точке гравитационного поля:

 

(2.6.3)

 

Единица измерения Дж/м.

Между напряженностью и потенциалом гравитационного поля существует связь:

(2.6.4)

 

Знак “минус” показывает, что вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.

Графически гравитационное поле можно представить с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Силовые линии гравитационного поля разомкнуты (заканчиваются на массах). На рисунке 9 представлено гравитационное поле Земли. Видно, что силовая линия поля пересекает эквипотенциальную поверхность под прямым углом.

 

Рисунок 9 – Гравитационное поле Земли