§ 6.3. Физические поля

Все рассматриваемые взаимодействия осуществляются посредством физических полей, которые для каждого вида взаимодействия имеют свои особенности, но определяются аналогичным образом.

Гравитационное (или электрическое, или магнитное) поле - это особый вид материи, посредством которого осуществляется гравитационное (или электрическое, или магнитное) взаимодействие.

Поля могут быть стационарными (не изменяющимися во времени) или нестационарными (переменными), если их характеристики меняются с течением времени. Поля называются однородными, если во всех точках пространства их характеристики имеют одинаковое значение. Если заряженные частицы или тела неподвижны, то их взаимодействие осуществляется посредством электростатического поля.

Таким образом, мы приходим к выводу, что существует два вида материи: вещество и поле. Свойства поля существенно отличаются от свойств вещества. Если вещество подвержено действию некоторого поля, то и само оно способно создавать такое же поле. Поэтому всякое взаимодействие тел через пространство можно схематически представить следующим образом: первое тело создает поле, которое действует на второе тело; в свою очередь второе тело действует своим полем на первое тело.

Плодотворная идея поля позволяет нам представить эти силы взаимодействия в другом виде. Силы данного взаимодействия равны произведению носителя этого взаимодействия (в гравитационном поле – это масса, в электрическом поле − это заряд, в магнитном поле – элемент тока) и некой физической величины, которая количественно характеризует силовое воздействие этого поля в данной точке пространства. У гравитационных и электрических полей эта силовая физическая характеристика называется напряженностью поля (соответственно и ), а для магнитных полей (исторически так сложилось) – индукцией магнитного поля ( ). Иными словами, силовая характеристика поля (напряженность или индукция) численно равна силе, которой данное поле в данной точке пространства действует на единицу носителя этого поля (пользуясь обозначениями формулы (6.1): ).

Таблица 6.1 Аналогии между гравитационными, электрическими

И магнитными полями

	Гравитационное поле	Электрическое поле	Магнитное поле
Носитель поля	Масса m	Электрический заряд q	Элемент тока Idl
Сила взаимодействия	Сила гравитации	Сила Кулона	Сила Ампера dF ~
Характеристика поля	Напряженность	Напряженность	Индукция
	На поверхности Земли	Для точечного заряда q1	Для элемента тока dB=
Коэффициент пропорциональ- ноcти	Гравитационная постоянная G=6,67 10-11 ( Н . м2/кг2)	Электрическая постоянная =8,85.10-12 (Кл2/(Н .м2))	Магнитная постоянная =1,26.10-6 Н/А2 (Н/А2)
Характеристика среды	Сила взаимодействия не зависит от свойств среды	Диэлектрическая проницаемость	Магнитная проницаемость
Направление силы взаимодействия	Направлены вдоль линии, соединяющие материальные точки, и всегда являются силами притяжения	Направлены вдоль линии, соединяющие точечные заряды, но могут быть силами и притяжения, и отталкивания	Перпендикулярны плоскости, где находятся элемент тока и вектор индукции магнитного поля

Например, для гравитационного поля из закона всемирного тяготения следует, что на тело с массой m, находящееся на поверхности Земли, действует сила гравитации, или сила тяжести (P): P = , где M-масса, а R-радиус Земли. Тогда силовой характеристикой гравитационного поля в данном случае может служит выражение .

С другой стороны, мы знаем, что под воздействием сил гравитации тела приобретают ускорение свободного падения g. Простое сравнение закона гравитации со вторым законом динамики (P=mg) показывает, что ускорение свободного падения g и есть напряженность поля тяготения, или гравитации: .

Для электрического поля напряженность электрического поля в данной точке – это векторная величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на помещенный в данную точку пробный (то есть положительный и малый, чтобы своим полем не внести искажение) заряд , к значению этого заряда.

Тогда модуль силы Кулона можно представить как F=E^.q , где q − уже заряд, на который воздействует электрическое поле с напряженностью Е.

Аналогично для магнитного поля сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент тока I^.dl, можно представить как dF~B^. I^.dl (см. табл. 6.1).

Как мы уже отмечали, аналогия между вышеуказанными взаимодействиями не означает их идентичность. Внешним проявлением их различия является направление действия сил этих взаимодействий.

Силы гравитационного взаимодействия направлены вдоль линии, соединяющей материальные точки (или центры масс физических тел) и всегда являются силами притяжения. Направления силы воздействия ( ) и напряженности ( ) поля в данном случае всегда совпадают.

Силы электрического взаимодействия тоже направлены вдоль линии, соединяющей точечные заряды, но они могут быть и силами притяжения и силами отталкивания. (Разноименные заряды притягивают, а одноименные заряды отталкивают друг друга). И в этом случае направление вектора напряженности ( ) совпадает с направлением вектора кулоновской силы, поэтому связь между ними в векторном виде имеет вид: = ^. .

Силы магнитного взаимодействия направлены по-другому. Хотя разноименные полюса магнитов (как электрические заряды) взаимно притягиваются, а одноименные – отталкиваются, на элемент тока магнитное поле действует силой, направление которой перпендикулярно и элементу тока, и индукции магнитного поля. Это направление определяется по формуле: (закон Ампера), где сила магнитного воздействия прямо пропорциональна векторному произведению векторов элемента тока ( ) и индукции ( ). Напомним, что при векторном умножении векторов образуется новый вектор, модуль которого равен АВ sin α, где α – угол между векторами и , а направление определяется правилом правого винта, или правилом правой руки: если поворот от до совпадает с вращением головки правого винта, то направление поступательного движения острия винта показывает направление нового вектора. Обычно для определения направления силы воздействия магнитного поля применяют правило левой руки¹. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца направлялись вдоль тока, то отогнутый на 90⁰ большой палец покажет направление силы, действующей на этот элемент тока (рис. 6.1).

Единица измерения индукции магнитного поля (тесла) определяется из упрощенного выражения , когда прямолинейный проводник находится в однородном магнитном поле (B=const), т.е. 1 тесла есть магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на прямолинейный проводник длиной 1 м с током 1 А, расположенный перпендикулярно полю.