3.5. Силовые поля

Если в каждой точке некоторой области пространства на частицу действует сила F, то говорят, что в этой области пространства существует поле сил или силовое поле, а о самой частице – как о частице, находящейся в силовом поле. В общем случае сила F зависит от координат точки пространства и от времени: F = = F(x, y, z, t). Если сила не зависит от времени, т.е. поле называется стационарным, в противном случае – нестационарным. Силовое поле называют однородным, если вектор силы F не зависит от координат т.е. имеет повсюду одинаковую величину и неизменное направление, Поля создаются материальными телами и проявляют себя в том, что действуют на другие материальные тела. Тем самым поля осуществляют взаимодействие тел, являясь посредником в их взаимодействии. С точки зрения представления о поле механизм взаимодействия тел можно представить так. Тело А изменяет свойства окружающего пространства создает в нем силовое поле, которое в месте расположения тела В проявляется в виде действующей на него силы. В свою очередь тело В создает аналогичное силовое поле, действующее на тело А. Заметим, что не само тело действует непосредственно на другое тело, а поле, создаваемое одни телом, действует на другое тело.

Согласно полевой концепции, все взаимодействия осуществляются полями. По современным представлениям поле – это особая форма материи, связывающее частицы вещества в единые системы и передающее с конечной скоростью действие одних материальных объектов на другие. Существуют поля силы тяжести, создаваемые полем тяготения Земли; поля гравитации, создаваемые любыми материальными телами; электрические поля, создаваемые электрическими зарядами; магнитные поля, создаваемые электрическими токами т.д. Даже такие взаимодействия, которые внешне воспринимаются как взаимодействия, возникающие при непосредственном контакте тел, тоже осуществляются полями – электрическими полями, создаваемыми молекулами тел. Молекулярные поля быстро убывают с расстоянием и проявляются на очень малых расстояниях между телами (~ 10 ^{– 9} м), поэтому такие полевые взаимодействия и воспринимаются как взаимодействия при непосредственном контакте тел.

В случае гравитационных взаимодействий, как это следует из формулы (2), сила F₁₂, действующая на частицу 1 со стороны другой частицы 2, пропорциональна массе частицы m₁ , причем эта сила может быть представлена в виде произведения двух величин:

F₁₂ = =

где вектор

зависящий от массы частицы 2, положения частицы 1 и направленный от частицы 2 к частице 1, называется вектором напряженности гравитационного поля, создаваемого частицей 2 в точке расположения частицы 1, e₂₁ – единичный вектор, направленный от частицы 2 в направлении частицы 1. Это обстоятельство и дает возможность физической интерпретации взаимодействия, связанного с понятием поля. А именно: говорят, что частица 1 находится в гравитационном поле, создаваемом частицей 2 и характеризуемом вектором . Или, иначе, считают, что в каждой точке пространства вокруг частицы 2 создаются такие условия, при которых частица 1, помещенная в эти точки, испытывает действие силы F₁₂. При этом считают, что поле, характеризуемое вектором , существует независимо от того, находится ли в нем частица 1 или нет. Модуль вектора численно равен ускорению, полученному любым телом, помещенным в данном поле тяготения. В случае однородного гравитационного поля Земли (поля силы тяжести) модуль вектора напряженности равен ускорению силы тяжести

Концепция поля была введена в науку в середине XIX в. М. Фарадеем. До Фарадея взаимодействие тел трактовалось с точки зрения концепции дальнодействия. Считалось, что тела могут взаимодействовать друг с другом на расстоянии без посредников. Эта концепция вытекала из принципа мгновенной передачи взаимодействий. Если все взаимодействия распространяются в пространстве с бесконечной скоростью (мгновенно), то никаких посредников во взаимодействии не требуется: тела взаимодействуют на расстоянии так, как если бы они находились в непосредственном контакте друг с другом. Открытие электромагнитного поля и созданная в начале XX в. специальная теория относительности показали, что концепция дальнодействия не верна. Взаимодействие тел осуществляется не мгновенно, и перемещение одного тела приводит к изменению сил, действующих на другое тело, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Возникла новая концепция – концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между удаленными друг от друга телами происходит не непосредственно через пустое пространство, а осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью. Действительно, поскольку все взаимодействия распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью, то должны существовать материальные объекты, переносящие взаимодействие с этой скоростью. Посредником во взаимодействии являются те или иные поля, распределенные в пространстве. В соответствии с концепцией близкодействия (концепции поля) сила, действующая на тело, является следствием взаимодействия тела с полем в той точке, в которой находится тело.