Grandezze fisiche e parametri, grandezze scalari e vettoriali, campi scalari e vettoriali

Grandezze fisiche scalari e vettoriali

Uno degli obiettivi principali della fisica è stabilire gli schemi dei fenomeni osservati. Per questo, quando si esaminano casi diversi, vengono introdotte caratteristiche che determinano il corso dei fenomeni fisici, nonché le proprietà e lo stato delle sostanze e degli ambienti. Da queste caratteristiche si possono distinguere grandezze fisiche proprie e grandezze parametriche. Questi ultimi sono definiti dai cosiddetti parametri o costanti.

Per quantità effettive si intendono quelle caratteristiche dei fenomeni che determinano fenomeni e processi e possono esistere indipendentemente dallo stato dell'ambiente e dalle condizioni.

Questi includono, ad esempio, carica elettrica, intensità di campo, induzione, corrente elettrica, ecc. L'ambiente e le condizioni in cui si verificano i fenomeni definiti da queste quantità possono modificare queste quantità principalmente solo quantitativamente.

Per parametri intendiamo quelle caratteristiche dei fenomeni che determinano le proprietà dei mezzi e delle sostanze e influenzano il rapporto tra le grandezze stesse. Non possono esistere indipendentemente e si manifestano solo nella loro azione sulla dimensione reale.

I parametri includono, ad esempio, costanti elettriche e magnetiche, resistenza elettrica, forza coercitiva, induttanza residua, parametri del circuito elettrico (resistenza, conduttanza, capacità, induttanza per unità di lunghezza o volume in un dispositivo), ecc.

I valori dei parametri dipendono solitamente dalle condizioni in cui si verifica questo fenomeno (da temperatura, pressione, umidità, ecc.), ma se tali condizioni sono costanti, i parametri mantengono invariati i loro valori e sono quindi detti anche costanti .

Le espressioni quantitative (numeriche) di quantità o parametri sono chiamate i loro valori.

Le quantità fisiche possono essere definite in due modi: alcune - solo per valore numerico, e altre - sia per valore numerico che per direzione (posizione) nello spazio.

Il primo include quantità come massa, temperatura, corrente elettrica, carica elettrica, lavoro, ecc. Queste quantità sono chiamate scalari (o scalari). Uno scalare può essere espresso solo come un singolo valore numerico.

Le seconde grandezze, chiamate vettori, comprendono la lunghezza, l'area, la forza, la velocità, l'accelerazione, ecc. della sua azione nello spazio.

Esempio (forza di Lorentz dall'articolo Intensità del campo elettromagnetico):

Le quantità scalari e i valori assoluti delle quantità vettoriali sono generalmente indicati con lettere maiuscole dell'alfabeto latino, mentre le quantità vettoriali sono scritte con un trattino o una freccia sopra il simbolo del valore.

Campi scalari e vettoriali

I campi, a seconda del tipo di fenomeno fisico che caratterizza il campo, sono scalari o vettoriali.

Nella rappresentazione matematica, un campo è uno spazio, ogni punto del quale può essere caratterizzato da valori numerici.

Questo concetto di campo può essere applicato anche quando si considerano i fenomeni fisici, quindi qualsiasi campo può essere rappresentato come uno spazio, in ogni punto del quale si stabilisce l'effetto su una certa grandezza fisica dovuta a un dato fenomeno (la sorgente del campo). . In questo caso, al campo viene assegnato il nome di tale valore.

Quindi, un corpo riscaldato che emette calore è circondato da un campo i cui punti sono caratterizzati dalla temperatura, quindi tale campo è chiamato campo di temperatura. Il campo che circonda un corpo carico di elettricità, in cui viene rilevato un effetto di forza sulle cariche elettriche stazionarie, è chiamato campo elettrico, ecc.

Di conseguenza, il campo di temperatura attorno al corpo riscaldato, poiché la temperatura può essere rappresentata solo come uno scalare, è un campo scalare e il campo elettrico, caratterizzato da forze che agiscono sulle cariche e che hanno una certa direzione nello spazio, è chiamato campo vettoriale.

Esempi di campi scalari e vettoriali

Un tipico esempio di campo scalare è il campo di temperatura attorno a un corpo riscaldato. Per quantificare un tale campo, in singoli punti dell'immagine di questo campo, puoi inserire numeri uguali alla temperatura in questi punti.

Tuttavia, questo modo di rappresentare il campo è imbarazzante. Quindi di solito fanno così: presumono che i punti nello spazio in cui la temperatura è la stessa appartengano alla stessa superficie.In questo caso, tali superfici possono essere chiamate temperature uguali. Le linee ottenute dall'intersezione di una tale superficie con un'altra superficie sono chiamate linee di uguale temperatura o isoterme.

Di solito, se vengono utilizzati tali grafici, le isoterme vengono eseguite a intervalli di temperatura uguali (ad esempio, ogni 100 gradi). Quindi la densità delle linee in un dato punto fornisce una rappresentazione visiva della natura del campo (velocità di variazione della temperatura).

Esempio di campo scalare (risultati del calcolo dell'illuminamento nel programma Dialux):

Esempi di campo scalare includono il campo gravitazionale (il campo della forza gravitazionale terrestre), così come il campo elettrostatico attorno a un corpo a cui è data una carica elettrica, se ogni punto di questi campi è caratterizzato da una quantità scalare chiamata potenziale.

Per la formazione di ogni campo è necessario spendere una certa quantità di energia. Questa energia non scompare, ma si accumula nel campo, essendo distribuita in tutto il suo volume. È potenziale e può essere restituito dal campo sotto forma di lavoro delle forze del campo quando vi si muovono masse o corpi carichi. Pertanto, un campo può anche essere valutato da una caratteristica potenziale, che determina la capacità del campo di lavorare.

Poiché l'energia è solitamente distribuita in modo non uniforme nel volume del campo, questa caratteristica si riferisce ai singoli punti del campo. La grandezza che rappresenta la caratteristica potenziale dei punti di campo è detta funzione potenziale o potenziale.

Quando applicato ad un campo elettrostatico, il termine più comune è "potenziale", e ad un campo magnetico, "funzione potenziale".A volte quest'ultima è anche chiamata funzione energetica.

Il potenziale si distingue per la seguente caratteristica: il suo valore in campo è continuo, senza salti, cambia da punto a punto.

Il potenziale di un punto del campo è determinato dalla quantità di lavoro svolto dalle forze del campo nel spostare una massa unitaria o una carica unitaria da un dato punto a un punto in cui quel campo è assente (questa caratteristica del campo è zero), o che deve essere speso in azione contro le forze del campo per trasferire un'unità di massa o carica a un dato punto del campo da un punto in cui l'azione di quel campo è zero.

Il lavoro è scalare, quindi anche il potenziale è scalare.

I campi i cui punti possono essere caratterizzati da valori potenziali sono chiamati campi potenziali. Poiché tutti i campi potenziali sono scalari, i termini «potenziale» e «scalare» sono sinonimi.

Come nel caso del campo di temperatura discusso sopra, molti punti con lo stesso potenziale possono essere trovati in qualsiasi campo potenziale. Le superfici su cui si trovano i punti di uguale potenziale sono chiamate equipotenziali e la loro intersezione con il piano del disegno è chiamata linee equipotenziali o equipotenziali.

In un campo vettoriale, il valore che caratterizza quel campo nei singoli punti può essere rappresentato da un vettore la cui origine è posta in un dato punto. Per visualizzare il campo vettoriale si ricorre alla costruzione di linee disegnate in modo che la tangente in ciascuno dei suoi punti coincida con il vettore che caratterizza quel punto.

Le linee di campo, tracciate ad una certa distanza l'una dall'altra, danno un'idea della natura della distribuzione del campo nello spazio (nella regione dove le linee sono più spesse, il valore della quantità vettoriale è maggiore, e dove le linee sono sono meno frequenti, il valore è minore di lui).

Eddy e campi di vortice

I campi differiscono non solo nella forma delle quantità fisiche che li definiscono, ma anche in natura, cioè possono essere irrotazionali, costituiti da getti paralleli non mescolanti (a volte questi campi sono chiamati laminari, cioè stratificati), o vortice (turbolento).

Lo stesso campo rotazionale, a seconda dei suoi valori caratteristici, può essere sia potenziale scalare che vettoriale rotazionale.

Il potenziale scalare sarà campo elettrostatico, magnetico e gravitazionale se sono determinati dall'energia distribuita nel campo. Tuttavia, lo stesso campo (elettrostatico, magnetico, gravitazionale) è vettoriale se è caratterizzato da forze agenti in esso.

Un campo privo di vortici o potenziale ha sempre un potenziale scalare. Una caratteristica importante della funzione potenziale scalare è la sua continuità.

Un esempio di campo vorticoso nel campo dei fenomeni elettrici è un campo elettrostatico. Un esempio di campo parassita è un campo magnetico dello spessore di un filo percorso da corrente.

Esistono i cosiddetti campi vettoriali misti. Un esempio di campo misto è un campo magnetico all'esterno di conduttori percorsi da corrente (il campo magnetico all'interno di questi conduttori è un campo parassita).