Поле як спосіб опису взаємодії

У курсі фізики ви вивчали закон всесвітнього тяжіння, відповідно до якого всі тіла притягуються одне до одного із силою, пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

Розглянемо будь-яка з тіл Сонячної системи і позначимо його масу через m. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння на це тіло діють всі інші тіла Сонячної системи, і сумарна гравітаційна сила, яку ми позначимо через F, дорівнює векторній сумі всіх цих сил. Оскільки кожна з сил пропорційна масі m, то сумарну силу можна представити у вигляді Векторна величина залежить від відстані до інших тіл Сонячної системи, т. Е. Від координат обраного нами тіла. З визначення, яке було дано в попередньому параграфі, випливає, що величина G є полем. Дане поле має назву гравітаційне поле.

Висловіть своє припущення, чому саме ця репродукція картини Малевича супроводжує текст параграфа.

Поблизу поверхні Землі сила, що діє на яке-небудь тіло, наприклад на вас, з боку Землі, набагато перевершує всі інші гравітаційні сили. Це знайома вам сила тяжіння. Так як сила тяжіння пов’язана з масою тіла співвідношенням Fg = mg, то G поблизу поверхні Землі є просто прискорення вільного падіння.

Оскільки величина G не залежить від маси або якого-небудь іншого параметра обраного нами тіла, то очевидно, що якщо в ту ж саму точку простору помістити інше тіло, сила, що діє на нього, визначатиметься тією ж самою величиною і, помноженої на масу нового тіла. Таким чином, дія гравітаційних сил всіх тіл Сонячної системи на деякий пробне тіло можна описати як дію гравітаційного поля на це пробне тіло. Слово «пробне» означає, що цього тіла може і не бути, поле в даній точці простору все одно існує і не залежить від наявності цього тіла. Пробне тіло служить просто для того, щоб можна було виміряти це поле виміром сумарною гравітаційної сили, що діє на нього.

Цілком очевидно, що в наших міркуваннях можна і не обмежуватися Сонячною системою і розглядати будь-яку, як завгодно велику систему тел.

Гравітаційну силу, створювану деякою системою тіл і діючу на пробне тіло, можна представити як дію гравітаційного поля, створюваного всіма тілами (за винятком пробного) на пробне тіло.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. Електричні сили дуже схожі на гравітаційні, тільки діють вони між зарядженими частинками, причому для однойменно заряджених частинок це сили відштовхування, а для разноименно заряджених – сили тяжіння. Закон, подібний до закону всесвітнього тяжіння, – це закон Кулона. Відповідно до нього сила, що діє між двома зарядженими тілами, пропорційна добутку зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між тілами.

В силу аналогії між законом Кулона і законом всесвітнього тяжіння те, що говорилося про гравітаційні сили, можна повторити для електричних сил і представити силу, що діє з боку деякої системи заряджених тіл на пробний заряд q, у вигляді Fе = qE Величина Е характеризує знайоме вам електричне поле і називається напруженістю електричного поля. Висновок, що стосується гравітаційного поля, можна майже дослівно повторити для електричного поля.

Взаємодія між зарядженими тілами (або просто зарядами), як уже говорилося, дуже схоже на гравітаційна взаємодія між якими тілами. Однак є одна дуже суттєва відмінність. Гравітаційні сили не залежать від того, рухаються тіла або нерухомі. А ось сила взаємодії між зарядами змінюється, якщо заряди рухаються. Наприклад, між двома однаковими нерухомими зарядами діють сили відштовхування (рис. 12, а). Якщо ж ці заряди рухаються, то сили взаємодії змінюються. На додаток до електричних силам відштовхування з’являються сили тяжіння (рис. 12, б).

Ви вже знайомі з цією силою з курсу фізики. Саме ця сила викликає притягання двох паралельних провідників зі струмом. Цю силу називають магнітною силою. Дійсно, в паралельних провідниках з однаково спрямованими струмами заряди рухаються, як показано на малюнку, а значить, притягуються магнітної силою. Сила, що діє між двома провідниками зі струмом, є просто сума всіх сил, що діють між зарядами.

Електричну силу, створювану деякою системою заряджених тіл і діючу на пробний заряд, можна представити як дію електричного поля, створюваного всіма зарядженими тілами (за винятком пробного) на пробний заряд.

Чому ж у цьому випадку зникає електрична сила? Все дуже просто. Провідники містять як позитивні, так і негативні заряди, причому кількість позитивних зарядів в точності дорівнює кількості негативних зарядів. Тому в цілому електричні сили компенсуються. Струми ж виникають внаслідок руху тільки негативних зарядів, позитивні заряди в провіднику нерухомі. Тому магнітні сили не компенсуються.

Механічний рух завжди відносно, т. Е. Швидкість завжди задається щодо деякої системи відліку і змінюється при переході від однієї системи відліку до іншої.

А тепер подивіться уважно на малюнок 12. Чим різняться малюнки а і б? На малюнку 6 заряди рухаються. Але це рух тільки в певній, обраної нами системі відліку. Ми можемо вибрати іншу систему відліку, в якій обидва заряду нерухомі. І тоді магнітна сила зникає. Це наводить на думку, що електрична і магнітна сили – це сили однієї природи.

І це дійсно так. Досвід показує, що існує єдина електромагнітна сила, що діє між зарядами, яка по-різному проявляється в різних системах відліку. Відповідно можна говорити про єдиний електромагнітному полі, яке являє собою сукупність двох полів – електричного і магнітного. У різних системах відліку електрична і магнітна складові електромагнітного поля можуть проявлятися по-різному. Зокрема, може виявитися, що в якійсь системі відліку зникає електрична чи магнітна складова електромагнітного поля.

З відносності руху випливає, що електричне взаємодія і магнітне взаємодія є дві складові єдиного електромагнітної взаємодії.

Але якщо це так, то можна повторити висновок, що стосується електричного поля.

Електромагнітну силу, створювану деякою системою зарядів і діючу на пробний заряд, можна представити як дію електромагнітного поля, створюваного всіма зарядами (за винятком пробного) на пробний заряд.

Багато сили, що діють на тіло, що знаходиться у вакуумі або в безперервному середовищі, можна представити як результат дії на тіло відповідних полів. До подібних силам відносяться, зокрема, гравітаційна і електромагнітна сили.

У скільки разів гравітаційна сила, діюча на вас з боку Землі, більше гравітаційної сили, що діє з боку Сонця? (Маса Сонця в 330 ТОВ разів більше маси Землі, а відстань від Землі до Сонця 150 млн км.)
Магнітна сила, що діє між двома зарядами, як і електрична сила, пропорційна добутку зарядів. Куди будуть спрямовані магнітні сили, якщо на малюнку 12, б один з зарядів замінити протилежним за знаком зарядом?
Куди будуть спрямовані магнітні сили на малюнку 12, б, якщо швидкості обох зарядів змінити на протилежні?

Посилання на основну публікацію