Фізичне поняття поля. Електричне і магнітне поле.

Фізи́чне по́ле — вид матерії на макроскопічному рівні, посередник взаємодії між частинками речовини або віддаленими одне від одного макроскопічними тілами. Прикладами поля фізичного є електромагнітне поле, гравітаційне поле, поле ядерних сил.

Часто поняття «поле» застосовують до сукупності розподілених фізичних величин, як, наприклад, векторне поле швидкостей та скалярні поля тисків і температур у потоці рідини чи газу,тензорне поле механічних напружень у деформованому твердому тілі. На відміну від цих полів, які є певними збуреннями в середовищі, фізичні поля є матеріальними, тобто не потребують іншого субстрату для свого існування.

Поняття силового поля виникло у класичній механіці, яка використовує принцип далекодії, і було способом опису взаємодії між частинками речовини.

Фізичне поле набуло характеру фізичної реальності зі встановленням скінченності швидкості поширення взаємодії (електромагнітне та гравітаційне поля) і виникненням класичної електродинаміки й теорії відносності. Протиставлення речовини і поля як дискретного і неперервного було знято на рівні елементарних частинок.

Квантова теорія поля за допомогою квантування ставить кожній частинці у відповідність поле з певними трансформаційними властивостями відносно простору-часу і груп симетрій частинок.

Ідея силового поля в класичній фізиці у тому, щоб виділити в силах, які діють на фізичне тіло, множники, що характеризують тіло й множники, що характеризують інші тіла. Наприклад, сила гравітації, що діє на тіло з масою m з боку інших тіл з масами   може бути записана згідно із законом всесвітнього тяжіння у вигляді

,

де G — гравітаційна стала, а   — віддаль між даним тілом й тілом із індексом j.

Виділяючи у цьому виразі масу вибраного тіла, можна записати

,

де величина

не залежить від характеристики (маси) досліджуваного тіла.

Векторне поле   у фізиці називають гравітаційним полем.

Аналогічним чином, для заряду q, що взаємодіє з іншими зарядами   можна записати

,

де   — векторне поле, яке називається напруженістю електричного поля й дорівнює

. ^[1]

В цьому випадку сила взаємодії теж записується, як добуток характеристики досліджуваного тіла (заряду), а вся інформація про інші заряди зводиться до введення єдиної векторної величини — напруженості електричного поля.

Приведені визначення полів опираються на принцип далекодії і справедливі лише для класичної фізики. Якщо частинки, які визначають поле рухатимуться, то в рамках класичної фізики, досліджувана частинка моментально відчуватиме зміну їхнього положення.

Однак, при застосуванні принципу близькодії, справедливого в рамках теорії відносності, інформація про переміщення тіл передається не миттєво й потребує посередника, тож поняття поля набирає значення окремої сутності, переміщення якої в просторі вимагає для свого опису окремих рівнянь.

Так, з врахуванням близькодії, сила, яка діє на заряд, знову ж записуватиметься

,

проте напруженість електричного поля   знаходиться із рівнянь Максвела. Вона дорівнює наведеному вище виразу лише у випадку нерухомих зарядів.

Електри́чне по́ле — одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.

Кількісними характеристиками електричного поля є вектор напруженості електричного поля   й вектор електричної індукції  .

У випадку, коли електричне поле не змінюється з часом, його називають електростатичним полем.

Розділ фізики, який вивчає розподіл статичного електричного поля в просторі, називається електростатикою.

Електричне поле викликає переміщення вільних зарядів і може виконувати роботу, а це значить, що воно має енергію.

Енергія електричного поля W задається формулою

,

де інтегрування проводиться по всьому простору ^[1].

Відповідно, густина енергії електричного поля задається формулою

Енергія електричного поля системи заряджених провідників із зарядами   дорівнює

,

де   — потенціали провідників.

Магні́тне по́ле — складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженимичастинками.

Магнітне поле - складова електромагнітного поля, яка створюється змінним у часі електричним полем, рухомими електричними зарядами абоспінами заряджених частинок. Магнітне поле спричиняє силову дію на рухомі електричні заряди. Нерухомі електричні заряди з магнітним полем не взаємодіють, але елементарні частинки з ненульовим спіном, які мають власний магнітний момент, є джерелом магнітного поля і магнітне поле спричиняє на них силову дію, навіть якщо вони перебувають у стані спокою.

Магнітне поле утворюється, наприклад, у просторі довкола провідника, по якому тече струм або довкола постійного магніту.

Магнітне поле є векторним полем, тобто з кожною точкою простору пов'язаний вектор магнітної індукції   який характеризує величину і напрям магнітого поля у цій точці і може мінятися з плином часу. Поряд з вектором магнітної індукції  , магнітне поле також описується векторомнапруженості  .

У вакуумі ці вектори пропорційні між собою:  , де k - константа, що залежить від вибору системи одиниць. В системі СІ,   - так званій магнітній проникності вакууму. Деякі системи одиниць, наприклад СГСГ, побудовані так, щоб вектори індукції та напруженості магнітного поля тотожно дорівнювали один одному:  .

Однак у середовищі ці вектори є різними: вектор напруженості   описує лише магнітне поле створене рухомими зарядами (струмами) ігноруючи поле створене середовищем, тоді як вектор індукції   враховує ще й вплив середовища:

^[1]

де   - вектор намагніченості середовища.

Енергія магнітного поля в просторі задається формулою

.

Відповідно, густина енергії магнітного поля дорівнює

.

Енергія магнітного поля провідника зі струмом дорівнює:

,

де   - сила струму, а   - індуктивність, що залежить від форми провідника.