Väli (füüsikas) — definitsioon, skalaar- ja vektorväljad
Ülevaade füüsikaväljadest: definitsioon, Faraday ajalugu, skalaar- ja vektorväljad, näited (temperatuur, rõhk, gravitatsioon) ning nende roll modelleerimises.
Füüsikas tähendab väli seda, et igale punktile ruumis (või üldisemalt ruumiajas) on määratud mingi füüsikaline suurus. Väli on ruumiliselt ja sageli ka ajas muutuv suurus, mis omab väärtust iga ruumipunktis ning võib mõjutada selles ruumiosas paiknevaid kehaid ja protsesse. Välja tugevus või väärtus varieerub tavaliselt piirkonniti ja seda kirjeldatakse funktsioonina punktikoordinaatidest ja vajadusel ajast.
Mida väljaga mõeldakse
Väli on matemaatiliselt esitatav kui mingi suuruse väärtuse määramine igas punktis: näiteks f(x,y,z) või üldisemalt f(r,t), kus r tähistab ruumikohta ja t aega. Väärtus võib olla ühe arvuga (skalaar), vektor või kõrgema järgu tensor. Väljade mõiste võimaldab kirjeldada ja modelleerida jõude, kiirendusi, energia ja muid füüsikalisi mõjusid, mis ei piira end ainult konkreetsete objektide vahelisteks "otsesteks kontaktideks".
Skalaar- ja vektorväljad
Mõne välja puhul on iga punkti jaoks ruumis olemas ainult üks arvuline väärtus. Neid nimetatakse skalaarväljadeks. Näiteks temperatuur või rõhk igas ruumipunktis on skalaarväli.
Keerulisemate väljade puhul on igas ruumipunkti jaoks määratud vektor, see tähendab suund ja suurus. Neid nimetatakse vektorväljadeks. Näiteks elektriväli ja magnetväli on vektorväljad: igas punktis on määratud jõu suund ja tugevus, mida kannab testlaeng või magnetnõel.
Tensorväljad
Kui ühe punkti juures on vaja kirjeldada rohkem kui ühte sõltuvat komponenti (näiteks anisotroopset materjali omadusi või stressi kujutamist), kasutatakse tensorvälju. Tensorväljad on vektorväljade üldistused ja neid kasutatakse näiteks üldrelatiivsuses ruumiaja kõveruse matemaatiliseks kirjelduseks.
Näited
- Gravitatsiooniväli: gravitatsioonivälja saab modelleerida vektorväljaga, kus iga punkti juures olev vektor näitab seda kiirendust, mida väli põhjustaks testmassile. See kiirendus on sõltuv positsioonist ja masside jaotusest; massi mõju väljale väljendub Newtoni gravitatsiooniseaduse või üldrelatiivsuse kaudu. Vektor väljadesatub siin uuesti: vektor.
- Elektri- ja magnetväljad: kirjeldavad jõude laengutele ja vooludele; nende vektorväljade kombinatsioon määrab elektromagnetilise interaktsiooni.
- Temperatuur ja rõhk: ilmakaardil kujutatakse temperatuuri- ja rõhuvälju sageli kõverate abil; näiteks ühendavad isotermide jooned võrdse temperatuuri punktid ning isobaarid võrdse rõhu punktid.
Välja omadused ja tähendus
- Superpositsioon: paljud lineaarset tüüpi väljad (nt elektriväli Newtoni/ Coulombi ja Maxwelli piirides) järgivad superpositsiooni põhimõtet: kokkuväll on erinevate allikate väljade vektoriaalne summa.
- Lokalsus ja propagatsioon: mõned väljad mõjuvad lokaalselt (koheselt punktis), teised levivad piiratud kiirusega (näiteks elektromagnetlaine levib valguse kiirusega), seega muutused väljades ei avaldu koheselt kaugetes punktides.
- Visualiseerimine: vektorvälju kujutatakse tihti suund- ja voolujoontega; skalaarvälju iseloomustavad kontuurid (nt isotermid) või värvigradiendid.
Ajalooline taust
Mõiste "väli" võeti teaduslikus tähenduses kasutusele 19. sajandil; Michael Faraday kasutas 1849. aastal ideed, et laengute ümber tekib nähtamatu mõjuväli, mis kannab jõudu edasi. See kontseptsioon oli oluline samm elektromagnetismi teooria kujunemisel.
Mõõtmine ja matemaatiline kirjeldus
Välju mõõdetakse suuremate füüsikaliste mõõteseadmete või probe'idega (nt laengu või testmassi abil elektri- ja gravitatsioonivälja puhul). Matemaatiliselt kirjeldatakse välju funktsioonidena r ja t kaudu: skalaarväli φ(r,t) ja vektorväli F(r,t) = (Fx,Fy,Fz). Väljadega seotud tuletised, nagu divergens, rotatsioon (kõverus) ja grad, annavad olulist informatsiooni välja omaduste kohta (nt kus on lähte- või nõrkuspunktid, kus väli pöörleb jms).
Väljade mõistmine ühendab matemaatikat ja eksperimenti ning võimaldab kirjeldada paljusid looduses ja tehnoloogias esinevaid nähtusi — alates ilmast kuni fundamentaalsete jõududeni.
Elektrivälja suurus, mis ümbritseb kahte võrdselt laetud (tõrjuvat) osakest. Heledamatel aladel on suurem suurus. Välja suund ei ole nähtav.
Vastupidiselt laetud (tõmbuvad) osakesed
Väljade tüübid
Klassikalised valdkonnad
- Newtoni gravitatsioon: kirjeldab gravitatsioonijõudu kui kahe massi vastastikust vastastikust mõju.
- Elektromagnetism: elektri- ja magnetväljad ei ole ainult jõuväljad, mis dikteerivad osakeste liikumist, vaid neil on ka iseseisev füüsikaline reaalsus, sest nad kannavad energiat.
- Gravitatsioon üldrelatiivsusteooria: see on Einsteini gravitatsiooniteooria.
- Lained kui väljad
Kvantväljad
Nüüd usutakse, et kvantmehaanika peaks olema kõigi füüsikaliste nähtuste aluseks.
Väljateooria
Väljateooria on füüsikaline teooria, mis kirjeldab, kuidas üks või mitu füüsikalist väljalõiku suhtlevad ainega.
Seotud leheküljed
- Elastsus
- Vooludünaamika
- Üldine relatiivsusteooria
- Maxwelli võrrandid
- Osakeste füüsika
Küsimused ja vastused
K: Mis on füüsikas välihaigla?
V: Välja tähendab füüsikas seda, et igale punktile ruumis on määratud füüsikaline suurus.
K: Kes on esimene inimene, kes mõtles välja mõiste "väli"?
V: Michael Faraday lõi esimesena 1849. aastal termini "väli".
K: Kuidas on skalaarväljad määratletud?
V: Skalaarväljad on defineeritud kui väljad, kus igale punktile ruumis vastab üks number.
K: Mis on vektorväljad või tensorväljad?
V: Vektorväljad või tensoriväljad on keerulisemad väljad, kus iga punkti kohta ruumis on rohkem kui üks arv.
K: Kas gravitatsioonivälja saab modelleerida vektorväljaga?
V: Jah, gravitatsioonivälja saab modelleerida vektorväljaga, kus vektor näitab kiirendust, mida mass kogeks igas ruumipunktis.
K: Mis on temperatuuriväljad ja õhurõhuväljad?
V: Temperatuuriväljad ja õhurõhuväljad on näited väljadest, mida ilmateadetes illustreeritakse sageli isotermide ja isobaaridega, ühendades vastavalt võrdse temperatuuri või rõhu punktid.
K: Kas väljade tugevus varieerub piirkonnas?
V: Jah, välja tugevus varieerub tavaliselt piirkonnas.
Otsige