Физичке величине и параметри, скаларне и векторске величине, скаларна и векторска поља

Скаларне и векторске физичке величине

Један од главних циљева физике је успостављање образаца посматраних појава. За ово се приликом испитивања различитих случајева уводе карактеристике које одређују ток физичких појава, као и својства и стање супстанци и средине. Из ових карактеристика могу се разликовати одговарајуће физичке величине и параметарске величине. Потоњи су дефинисани такозваним параметрима или константама.

Стварне величине означавају оне карактеристике појава које одређују појаве и процесе и могу постојати независно од стања средине и услова.

То укључује, на пример, електрични набој, јачину поља, индукцију, електричну струју итд. Окружење и услови у којима се дешавају појаве дефинисане овим величинама могу мењати ове величине углавном само квантитативно.

Под параметрима подразумевамо такве карактеристике појава које одређују својства медија и супстанци и утичу на однос између самих величина. Они не могу постојати самостално и манифестују се само у њиховом деловању на стварну величину.

Параметри укључују, на пример, електричне и магнетне константе, електрични отпор, коерцитивну силу, заосталу индуктивност, параметре електричног кола (отпор, проводљивост, капацитивност, индуктивност по јединици дужине или запремине у уређају) итд.

Вредности параметара обично зависе од услова под којима се ова појава јавља (од температуре, притиска, влажности итд.), али ако су ови услови константни, параметри задржавају своје вредности непромењене и стога се називају и константним .

Квантитативни (нумерички) изрази величина или параметара називају се њиховим вредностима.

Физичке величине се могу дефинисати на два начина: неке — само нумеричком вредношћу, а друге — и нумеричком вредношћу и смером (позицијом) у простору.

Први укључује такве величине као што су маса, температура, електрична струја, електрични набој, рад, итд. Ове величине се називају скаларне (или скаларне). Скалар се може изразити само као једна нумеричка вредност.

Друге величине, које се називају вектори, укључују дужину, површину, силу, брзину, убрзање итд. његовог деловања у простору.

Пример (Лоренцова сила из чланка Јачина електромагнетног поља):

Скаларне величине и апсолутне вредности векторских величина обично се означавају великим словима латинице, док се векторске величине пишу цртицом или стрелицом изнад симбола вредности.

Скаларна и векторска поља

Поља, у зависности од врсте физичког феномена који карактерише поље, су или скаларна или векторска.

У математичком представљању, поље је простор, чија се свака тачка може окарактерисати нумеричким вредностима.

Овај концепт поља се може применити и када се разматрају физичке појаве.Тада се свако поље може представити као простор, у чијој се тачки успоставља дејство на одређену физичку величину услед дате појаве (извор поља). . У овом случају, поље добија име те вредности.

Дакле, загрејано тело које емитује топлоту окружено је пољем чије тачке карактерише температура, па се такво поље назива температурно поље. Поље које окружује тело наелектрисано електричном енергијом, у коме се детектује дејство силе на стационарна електрична наелектрисања, назива се електрично поље итд.

Сходно томе, температурно поље око загрејаног тела, пошто се температура може представити само као скалар, је скаларно поље, а електрично поље, које карактеришу силе које делују на наелектрисања и има одређени правац у простору, назива се векторско поље.

Примери скаларних и векторских поља

Типичан пример скаларног поља је температурно поље око загрејаног тела. Да бисте квантификовали такво поље, на појединим тачкама слике овог поља можете ставити бројеве једнаке температури у овим тачкама.

Међутим, овакав начин представљања терена је незгодан. Дакле, обично раде ово: претпостављају да тачке у простору где је температура иста припадају истој површини.У овом случају, такве површине се могу назвати једнаким температурама. Праве које се добијају пресеком такве површине са другом површином називају се линије једнаке температуре или изотерме.

Обично, ако се користе такви графикони, изотерме се покрећу у једнаким температурним интервалима (на пример, сваких 100 степени). Тада густина линија у датој тачки даје визуелни приказ природе поља (брзина промене температуре).

Пример скаларног поља (резултати прорачуна осветљености у Диалук програму):

Примери скаларног поља укључују гравитационо поље (поље Земљине гравитационе силе), као и електростатичко поље око тела коме је дат електрични набој, ако се свака тачка ових поља карактерише скаларном величином тзв. потенцијал.

За формирање сваког поља потребно је потрошити одређену количину енергије. Ова енергија не нестаје, већ се акумулира у пољу, распоређујући се по својој запремини. Она је потенцијална и може се вратити из поља у виду рада сила поља када се у њему крећу масе или наелектрисана тела. Према томе, поље се такође може оценити потенцијалном карактеристиком, која одређује способност поља да ради.

Пошто је енергија обично неравномерно распоређена у запремини поља, ова карактеристика се односи на појединачне тачке поља. Количина која представља потенцијалну карактеристику тачака поља назива се потенцијалом или потенцијалном функцијом.

Када се примени на електростатичко поље, најчешћи израз је "потенцијал", а за магнетно поље "потенцијална функција".Понекад се ово друго назива и енергетска функција.

Потенцијал се одликује следећом карактеристиком: његова вредност у пољу је континуирана, без скокова, мења се од тачке до тачке.

Потенцијал тачке поља одређен је количином рада које врше силе поља при премештању јединичне масе или јединичног наелектрисања из дате тачке до тачке у којој то поље нема (ова карактеристика поља је нула), или који се мора потрошити на дејство против сила поља да би се пренела јединична маса или наелектрисање на дату тачку у пољу из тачке у којој је дејство тог поља нула.

Рад је скаларан, па је и потенцијал скаларан.

Поља чије тачке се могу окарактерисати потенцијалним вредностима називају се потенцијална поља. Пошто су сва потенцијална поља скаларна, појмови «потенцијал» и «скалар» су синоними.

Као иу случају температурног поља о коме се горе говори, многе тачке са истим потенцијалом могу се наћи у било ком потенцијалном пољу. Површине на којима се налазе тачке једнаког потенцијала називају се еквипотенцијалне, а њихов пресек са равним цртежа еквипотенцијалне праве или еквипотенцијале.

У векторском пољу, вредност која карактерише то поље у појединачним тачкама може бити представљена вектором чије је порекло постављено у дату тачку. За визуелизацију векторског поља, прибегава се конструисању линија које су нацртане тако да се тангента у свакој од њених тачака поклапа са вектором који карактерише ту тачку.

Линије поља, повучене на одређеној удаљености једна од друге, дају представу о природи дистрибуције поља у простору (у региону где су линије дебље, вредност векторске величине је већа, а где су линије су ређе, вредност је мања од њега).

Вртлог и вртложна поља

Поља се разликују не само по облику физичких величина које их дефинишу, већ и по природи, односно могу бити или неротирајућа, састоје се од паралелних млазова који се не мешају (понекад се ова поља називају ламинарна, односно слојевита), или вортекс (турбулентан).

Исто ротационо поље, у зависности од својих карактеристичних вредности, може бити и скаларно-потенцијално и векторско-ротационо.

Скаларни потенцијал ће бити електростатичко, магнетно и гравитационо поље ако су одређени енергијом распоређеном у пољу. Међутим, исто поље (електростатичко, магнетно, гравитационо) је векторско ако га карактеришу силе које у њему делују.

Поље без вртлога или потенцијално поље увек има скаларни потенцијал. Важна карактеристика функције скаларног потенцијала је њен континуитет.

Пример вртложног поља у пољу електричних појава је електростатичко поље. Пример вртложног поља је магнетно поље дебљине жице која носи струју.

Постоје такозвана мешовита векторска поља. Пример мешовитог поља је магнетно поље изван проводника са струјом (магнетно поље унутар ових проводника је вртложно поље).