Kuantitas dan parameter fisik, besaran skalar dan vektor, bidang skalar dan vektor

Besaran fisik skalar dan vektor

Salah satu tujuan utama fisika adalah menetapkan pola fenomena yang diamati. Untuk ini, saat memeriksa berbagai kasus, karakteristik diperkenalkan yang menentukan jalannya fenomena fisik, serta sifat dan keadaan zat dan lingkungan. Dari ciri-ciri tersebut dapat dibedakan besaran fisis yang tepat dan besaran parametrik. Yang terakhir ditentukan oleh apa yang disebut parameter atau konstanta.

Kuantitas aktual berarti karakteristik fenomena yang menentukan fenomena dan proses dan dapat eksis secara independen dari keadaan lingkungan dan kondisi.

Ini termasuk, misalnya, muatan listrik, kekuatan medan, induksi, arus listrik, dll. Lingkungan dan kondisi di mana fenomena yang ditentukan oleh besaran-besaran ini terjadi dapat mengubah besaran-besaran ini terutama hanya secara kuantitatif.

Yang kami maksud dengan parameter adalah karakteristik fenomena yang menentukan sifat media dan zat serta memengaruhi hubungan antara kuantitas itu sendiri. Mereka tidak dapat eksis secara mandiri dan hanya terwujud dalam tindakan mereka pada ukuran sebenarnya.

Parameter termasuk, misalnya, konstanta listrik dan magnet, hambatan listrik, gaya koersif, induktansi sisa, parameter sirkuit listrik (resistansi, konduktansi, kapasitansi, induktansi per satuan panjang atau volume dalam perangkat), dll.

Nilai parameter biasanya bergantung pada kondisi di mana fenomena ini terjadi (dari suhu, tekanan, kelembaban, dll.), Tetapi jika kondisi ini konstan, parameter mempertahankan nilainya tidak berubah dan oleh karena itu disebut juga konstan. .

Ekspresi kuantitas atau parameter kuantitatif (numerik) disebut nilainya.

Kuantitas fisik dapat didefinisikan dalam dua cara: beberapa — hanya dengan nilai numerik, dan yang lain — baik dengan nilai numerik maupun dengan arah (posisi) dalam ruang.

Yang pertama mencakup besaran seperti massa, suhu, arus listrik, muatan listrik, kerja, dll. Besaran ini disebut skalar (atau skalar). Skalar hanya dapat dinyatakan sebagai nilai numerik tunggal.

Kuantitas kedua, yang disebut vektor, meliputi panjang, luas, gaya, kecepatan, percepatan, dll. dari aksinya di ruang angkasa.

Contoh (gaya Lorentz dari artikel Kekuatan medan elektromagnetik):

Besaran skalar dan nilai mutlak besaran vektor biasanya dilambangkan dengan huruf kapital alfabet latin, sedangkan besaran vektor ditulis dengan tanda strip atau anak panah di atas lambang nilai.

Bidang skalar dan vektor

Medan, bergantung pada jenis fenomena fisik yang mencirikan medan, bisa berupa skalar atau vektor.

Dalam representasi matematis, bidang adalah ruang, yang setiap titiknya dapat dicirikan oleh nilai numerik.

Konsep bidang ini juga dapat diterapkan ketika mempertimbangkan fenomena fisik, kemudian bidang apa pun dapat direpresentasikan sebagai ruang, di mana setiap titik di mana efek pada kuantitas fisik tertentu karena fenomena tertentu (sumber bidang) ditetapkan. . Dalam hal ini, bidang diberi nama dari nilai tersebut.

Jadi, benda yang dipanaskan yang mengeluarkan panas dikelilingi oleh medan yang titik-titiknya dicirikan oleh suhu, oleh karena itu medan seperti itu disebut medan suhu. Medan yang mengelilingi benda bermuatan listrik, di mana efek gaya pada muatan listrik stasioner terdeteksi, disebut medan listrik, dll.

Dengan demikian, medan suhu di sekitar benda yang dipanaskan, karena suhu hanya dapat direpresentasikan sebagai skalar, adalah medan skalar, dan medan listrik, yang dicirikan oleh gaya yang bekerja pada muatan dan memiliki arah tertentu dalam ruang, disebut medan vektor.

Contoh bidang skalar dan vektor

Contoh khas medan skalar adalah medan suhu di sekitar benda yang dipanaskan. Untuk mengukur bidang seperti itu, pada masing-masing titik gambar bidang ini, Anda dapat menempatkan angka yang sama dengan suhu pada titik-titik ini.

Namun, cara merepresentasikan bidang ini canggung. Jadi mereka biasanya melakukan ini: mereka berasumsi bahwa titik-titik di ruang yang suhunya sama berada di permukaan yang sama.Dalam hal ini, permukaan seperti itu bisa disebut suhu yang sama. Garis-garis yang diperoleh dari perpotongan permukaan tersebut dengan permukaan lain disebut garis dengan suhu yang sama atau isoterm.

Biasanya, jika grafik tersebut digunakan, isoterm dijalankan pada interval suhu yang sama (misalnya, setiap 100 derajat). Kemudian kerapatan garis pada titik tertentu memberikan representasi visual dari sifat medan (laju perubahan suhu).

Contoh bidang skalar (hasil perhitungan pencahayaan pada program Dialux):

Contoh medan skalar termasuk medan gravitasi (medan gaya gravitasi bumi), serta medan elektrostatik di sekitar benda yang diberi muatan listrik, jika setiap titik medan ini dicirikan oleh besaran skalar yang disebut potensi.

Untuk pembentukan setiap bidang, Anda perlu mengeluarkan sejumlah energi. Energi ini tidak hilang, tetapi terakumulasi di lapangan, didistribusikan ke seluruh volumenya. Itu potensial dan dapat dikembalikan dari medan dalam bentuk kerja kekuatan medan ketika massa atau benda bermuatan bergerak di dalamnya. Oleh karena itu, suatu bidang juga dapat dinilai dengan karakteristik potensial, yang menentukan kemampuan bidang tersebut untuk melakukan kerja.

Karena energi biasanya tidak terdistribusi secara merata dalam volume medan, karakteristik ini mengacu pada masing-masing titik medan. Kuantitas yang mewakili karakteristik potensial dari titik-titik medan disebut fungsi potensial atau potensial.

Ketika diterapkan pada medan elektrostatik, istilah yang paling umum adalah "potensial", dan pada medan magnet, "fungsi potensial".Terkadang yang terakhir juga disebut fungsi energi.

Potensi dibedakan dengan ciri-ciri sebagai berikut: nilainya di lapangan kontinu, tanpa lompatan, berubah dari titik ke titik.

Potensi titik medan ditentukan oleh jumlah usaha yang dilakukan oleh gaya medan dalam memindahkan satuan massa atau muatan satuan dari titik tertentu ke titik di mana medan tidak ada (karakteristik medan ini nol), atau yang harus dikeluarkan untuk aksi melawan gaya medan untuk mentransfer satu satuan massa atau muatan ke titik tertentu di medan dari titik di mana aksi medan itu nol.

Kerja adalah skalar, jadi potensial juga skalar.

Bidang yang titik-titiknya dapat dicirikan oleh nilai potensial disebut bidang potensial. Karena semua bidang potensial adalah skalar, istilah «potensial» dan «skalar» adalah sinonim.

Seperti dalam kasus medan suhu yang dibahas di atas, banyak titik dengan potensial yang sama dapat ditemukan di setiap medan potensial. Permukaan tempat titik-titik dengan potensial yang sama berada disebut ekipotensial, dan perpotongannya dengan bidang gambar disebut garis ekipotensial atau ekipotensial.

Dalam bidang vektor, nilai yang mencirikan bidang tersebut pada titik-titik individual dapat direpresentasikan oleh vektor yang asalnya ditempatkan pada titik tertentu. Untuk memvisualisasikan bidang vektor, seseorang menggunakan garis yang ditarik sehingga garis singgung pada setiap titiknya berimpit dengan vektor yang mencirikan titik tersebut.

Garis-garis medan, yang ditarik pada jarak tertentu satu sama lain, memberikan gambaran tentang sifat distribusi medan dalam ruang (di wilayah yang garisnya lebih tebal, nilai besaran vektornya lebih besar, dan di mana garisnya lebih jarang, nilainya lebih kecil dari dia).

Bidang eddy dan eddy

Medan berbeda tidak hanya dalam bentuk kuantitas fisik yang mendefinisikannya, tetapi juga di alam, yaitu, dapat berupa irrotasional, terdiri dari pancaran paralel non-pencampuran (terkadang bidang ini disebut laminar, yaitu berlapis), atau pusaran (turbulen).

Bidang rotasi yang sama, bergantung pada nilai karakteristiknya, dapat berupa potensi skalar dan rotasi vektor.

Potensi skalar akan menjadi medan elektrostatik, magnet, dan gravitasi jika ditentukan oleh energi yang didistribusikan di lapangan. Namun, bidang yang sama (elektrostatik, magnet, gravitasi) adalah vektor jika dicirikan oleh gaya yang bekerja di dalamnya.

Medan bebas eddy atau potensial selalu memiliki potensial skalar. Karakteristik penting dari fungsi potensial skalar adalah kontinuitasnya.

Contoh medan pusaran pada medan fenomena kelistrikan adalah medan elektrostatik. Contoh medan eddy adalah medan magnet setebal kawat pembawa arus.

Ada yang disebut bidang vektor campuran. Contoh medan campuran adalah medan magnet di luar konduktor pembawa arus (medan magnet di dalam konduktor ini adalah medan eddy).