На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы | Технологии
Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.
Фундамент Вселенной
Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальных взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.
Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.
Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).
Сила тяжести — гравитационное взаимодействие
Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила.
Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.
Закон всемирного тяготения
Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.
Слабая сила и распад частиц
Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.
Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10−18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.
Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов.
Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.
Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.
Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу.
При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.
Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.
Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.
Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации
Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.
Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10−15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).
Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу.
Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.
Великое объединение и теория всего
Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.
Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы.
Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.
Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.
Читать далее
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?
В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю
Валидация использования метода граничных элементов для магнитостатических расчетов
Может ли метод граничных элементов (BEM) рассматриваться как альтернатива методу конечных элементов (FEM) для магнитостатических расчётов? В серии учебных примеров из трёх частей мы на примере определения электромагнитных сил, используя подход с расчетом тензоров напряжений по Максвеллу, покажем возможности метода граничных элементов (BEM).
Мы сравним результаты с аналитикой и FEM-расчётом, чтобы продемонстрировать пользу и ценность метода граничных элементов в магнитостатических расчётах. Данная статья представляет собой краткий обзор того, что вас ждёт в серии учебных примеров.
Сравнение метода граничных и конечных элементов
Метод граничных элементов является инструментом численного моделирования, который можно использовать вместо метода конечных элементов (или в сочетании с ним) в электростатических, магнитостатических, акустических, коррозионных и некоторых других расчётах. В отличие от FEM для BEM-расчёта требуется построение только поверхностной (т.е. двумерной) сетки.
Для BEM нет необходимости создавать объёмную (т.е. трехмерную) сетку во всей расчётной области. При определенных условиях BEM-технология может повысить эффективность и простоту реализации модели. Этот метод связывает все степени свободы между собой (каждую с каждой) и хорошо подходит для расчётов бесконечных областей, изотропных материалов и тонких проводов.
Однако, он не применим для задач с нелинейными или неоднородными материалами.
Возьмём, к примеру, электростатику. В этой области науки и техники использование BEM может упростить некоторые расчетные задачи, а именно:
- Моделирование тонких проводов и изотропных материалов
- Описание открытых задач и бесконечных областей
- Постобработка на произвольных расстояниях от источников
В некоторых случаях вы можете воспользоваться преимуществами обоих методов, объединяя (по границе) в рамках единой модели BEM-расчет одних областей и FEM-расчет других.
Модель двух параллельных намагниченных стержней из учебной серии примеров на тему верификации расчётов электромагнитных сил.
Теперь, после того, как вы вкратце познакомились с методом граничных элементов, может возникнуть вопрос, как эти знания можно применить на практике? Одно из перспективных приложений этой методики — это точный расчёт какого-либо потока (flux). В серии учебных примеров (которой посвящен данный блог) мы рассмотрим BEM, как альтернативу FEM в контексте магнитостатического моделирования, особенно, при расчёте электромагнитных сил с использованием тензора напряжений по Максвеллу (т.
е. методики, использующей как расчет потоков).
Давайте посмотрим, насколько точен при этом окажется BEM-расчет по сравнению с FEM для постановочной задачи, для которой можно проверить результаты аналитически.
Расчет электромагнитной силы и его валидация
В рассматриваемой учебной серии используется функционал платформы COMSOL Multiphysics® и модуля расширения AC/DC. Коротко перечислим те приемы и техники, которые рассматриваются для повышения точности расчета:
- Использование скруглений (филлетов), кастомизированное построение сетки и использование вспомогательных поверхностей (поверх стержней)
- Сравнение BEM и FEM реализаций
- Исследование по сеточной сходимости на основе параметрического свипа
В первой части содержится представление и пошаговое описание процесса построения геометрий моделей, которые будут использоваться во 2 и 3 частях.
NB: Опытные пользователи могут пропустить введение (Часть №1) и сразу начать со второй части серии.
Если вы являетесь начинающим пользователем COMSOL Multiphysics, то эти подробные инструкции пояснят вам основы построения и настройки геометрии модели.
Если вы являетесь начинающим пользователем COMSOL Multiphysics, то эти подробные инструкции пояснят вам основы построения и настройки геометрии модели.Отрисованная для части №2 геометрия модели включает только один стержень, заключенный в полусферу. Второй стержень учитывается посредством условия симметрии использованного при расчете. Для анализа электромагнитного (крутящего) момента в части №3 использована следующая постановка: один стержень расположен внутри сферической области, вокруг которой отрисована поверхность куба для задания внешнего поля.
Геометрия для расчёта электромагнитной силы (слева) и электромагнитного крутящего момента (справа).
Постановка задачи расчета электромагнитной силы
Существует несколько способов расчёта электромагнитной силы, действующей на твёрдое тело. Для определения сил с использованием тензора поверхностных напряжений по Максвелу важно точно рассчитать поверхностные интегралы от величин напряжённости магнитного поля (H) и магнитной индукции (B).
У BEM в этом случае есть одно заметное преимущество. В отличие от FEM, при использовании BEM-технологии нормальный к границе поток введен в модель непосредственно как степень свободы. Это позволяет точно рассчитывать поток без добавления специальных (reaction force) интегралов для расчёта потоков или ограничений в слабой форме. Идея данной серии в том, чтобы решить задачи через BEM-методику, сравнить полученные результаты с FEM (на самом деле с гибридной FEM-BEM техникой, где BEM используется исключительно для описания открытых границ) и аналитическими моделями, на основании чего показать эффективность использования BEM для расчёта электромагнитных сил и моментов.
В магнитостатике преобладают два теоретических подхода:
- Через магнитные полюсы и заряды
- Через атомные микротоки
В данном случае будем использовать аналитическую модель на основе магнитных полюсов, так как в ней учитываются статические магнитные заряды и она математически эквивалентна электростатике.
Двухмерная геометрия модели для численного расчёта электромагнитной силы (слева) и визуализация аналитической модели (справа).
Геометрия верификационной модели состоит из двух намагниченных стержней длинной 1 метр, расстояние между которыми 1 метр. Величина остаточной магнитной индукции внутри стержней специально подобрана так, чтобы значение силы отталкивания между ними составляло ровно 1 Н-м. Это является принципиально важным условием, так как в итоге мы будем сравнивать результаты моделирования с этим аналитическим значением и определять их уровень точности.
Сравнение двух методик расчёта электромагнитной силы
Полученные для BEM результаты показывают, что даже при относительно грубой сетке распределения расчетных полей являются довольно гладкими.
Распределение тензора напряжения по Максвеллу, на основе которого идет расчет э/м сил: непосредственно на поверхности стержня (слева) и на вспомогательной поверхности поверх стержня (справа).
Если сравнить результаты BEM и FEM расчёта с аналитической величиной при разных размерах и, следовательно, густоте сетки (см. график ниже), то несложно увидеть, что BEM-расчёт довольно точен даже для более грубой сетки. Для схожего порядка точности в FEM-расчёте необходимо построение намного более плотной сетки.
Также обратите внимание, что результаты расчёта силы на вспомогательной поверхности поверх стержня изначально более точные. Тензор напряжений лучше рассчитывать на определённом расстоянии от магнита, где его распределение более плавное. Это приводит к лучшему соответствию с аналитической моделью.
Относительные погрешности расчёта силы через BEM (синяя линия) и FEM (красная линия) на поверхности стержня и расчёт силы через BEM (зелёная линия) и FEM (голубая линия) на вспомогательной поверхности.
Результаты расчета подчеркивают тот факт, что максимальные напряжения сосредоточены на скруглениях магнита. В рамках обобщения, отметим, что расчёт сил на поверхности твёрдых тел с острыми краями в принципе не будет обладать разумной точностью.
На практике такой расчёт сил по данным на поверхностях магнита с острыми углами может привести к ошибке порядка 2000%. BEM-методика в общем может служить хорошей альтернативой для моделей с относительно грубой сеткой.
Определение магнитного крутящего момента
В части №3 продолжается сравнительный анализ BEM и FEM-технологий, но уже на другой задаче и геометрии. Один намагниченный стержень длинной 1 метр помещается в перпендикулярное внешнее магнитное поле Be (см. иллюстрацию справа снизу). Величина напряжённости магнитного поля подбирается таким образом, чтобы момент, действующий на стержень, был равен 1 Н*м. Таким образом, мы можем провести еще одно сравнение с аналитикой результатов численного расчета.
Схема геометрической модели для численного (слева) и визуализация аналитической модели (справа) для определения магнитного момента.
Полученные для BEM результаты схожи по своей сути с теми, что получились во второй части серии (для электромагнитных сил).
Распределения расчетных полей являются довольно гладкими даже при грубой сетке, напряжения сконцентрированы на скруглениях, точность расчёта хорошо соответствует аналитической модели.
Распределение тензора напряжения по Максвеллу, на основе которого идет расчет э/м крутящего момента: непосредственно на поверхности стержня (слева) и на вспомогательной поверхности поверх стержня (справа).
Погрешность FEM-расчёта (а точнее комбинированного BEM–FEM) довольно высока, как и в части №2. Стоит отметить, что для обеих методик результаты, полученные на вспомогательной поверхности, гораздо более точны, чем на поверхности стержня. По результатам расчёта двух моделей можно сделать вывод о том, что BEM может быть очень полезен для магнитостатических моделей.
Дальнейшие шаги
Мы советуем детально ознакомиться с представленной в данной статье серией моделей для расчета электромагнитных сил и моментов. Вы можете получить доступ к пошаговым pdf-инструкциям или скачать MPH-файл по нажатию на кнопку, расположенную ниже.
Вы попадёте в галерею моделей и приложений. Обратите внимание, что у вас должна быть учётная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение, чтобы загружать MPH-файлы моделей.
Дополнительные материалы
Вы можете более подробно узнать об электромагнитном моделировании в соответствующих заметках нашего корпоративного блога:
| Адроны | |
| Альфа-распад | |
| Альфа-частица | |
| Аннигиляция | |
| Антивещество | |
| Антинейтрон | |
| Антипротон | |
| Античастицы | |
| Атом | |
| Атомная единица массы | |
| Атомная электростанция | |
| Барионное число | |
| Барионы | |
| Бета-распад | |
| Бетатрон | |
| Бета-частицы | |
| Бозе – Эйнштейна статистика | |
| Бозоны | |
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | |
Боттом. Боттомоний | |
| Брейта-Вигнера формула | |
| Быстрота | |
| Векторная доминантность | |
| Великое объединение | |
| Взаимодействие частиц | |
| Вильсона камера | |
| Виртуальные частицы | |
| Водорода атом | |
| Возбуждённые состояния ядер | |
| Волновая функция | |
| Волновое уравнение | |
| Волны де Бройля | |
| Встречные пучки | |
| Гамильтониан | |
| Гамма-излучение | |
| Гамма-квант | |
| Гамма-спектрометр | |
| Гамма-спектроскопия | |
| Гаусса распределение | |
| Гейгера счётчик | |
| Гигантский дипольный резонанс | |
| Гиперядра | |
| Глюоны | |
| Годоскоп | |
| Гравитационное взаимодействие | |
| Дейтрон | |
| Деление атомных ядер | |
| Детекторы частиц | |
| Дирака уравнение | |
| Дифракция частиц | |
| Доза излучения | |
| Дозиметр | |
| Доплера эффект | |
| Единая теория поля | |
| Зарядовое сопряжение | |
| Зеркальные ядра | |
| Избыток массы (дефект массы) | |
| Изобары | |
| Изомерия ядерная | |
| Изоспин | |
| Изоспиновый мультиплет | |
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | |
| Ионизирующее излучение | |
| Искровая камера | |
| Квантовая механика | |
| Квантовая теория поля | |
| Квантовые операторы | |
| Квантовые числа | |
| Квантовый переход | |
| Квант света | |
| Кварк-глюонная плазма | |
| Кварки | |
| Коллайдер | |
| Комбинированная инверсия | |
| Комптона эффект | |
| Комптоновская длина волны | |
| Конверсия внутренняя | |
| Константы связи | |
| Конфайнмент | |
| Корпускулярно волновой дуализм | |
| Космические лучи | |
| Критическая масса | |
| Лептоны | |
| Линейные ускорители | |
| Лоренца преобразования | |
| Лоренца сила | |
| Магические ядра | |
| Магнитный дипольный момент ядра | |
| Магнитный спектрометр | |
| Максвелла уравнения | |
| Масса частицы | |
| Масс-спектрометр | |
| Массовое число | |
| Масштабная инвариантность | |
| Мезоны | |
| Мессбауэра эффект | |
| Меченые атомы | |
| Микротрон | |
| Нейтрино | |
| Нейтрон | |
| Нейтронная звезда | |
| Нейтронная физика | |
| Неопределённостей соотношения | |
| Нормы радиационной безопасности | |
| Нуклеосинтез | |
| Нуклид | |
| Нуклон | |
| Обращение времени | |
| Орбитальный момент | |
| Осциллятор | |
| Отбора правила | |
| Пар образование | |
| Период полураспада | |
| Планка постоянная | |
| Планка формула | |
| Позитрон | |
| Поляризация | |
| Поляризация вакуума | |
| Потенциальная яма | |
| Потенциальный барьер | |
| Принцип Паули | |
| Принцип суперпозиции | |
| Промежуточные W-, Z-бозоны | |
| Пропагатор | |
| Пропорциональный счётчик | |
| Пространственная инверсия | |
| Пространственная четность | |
| Протон | |
| Пуассона распределение | |
| Пузырьковая камера | |
| Радиационный фон | |
| Радиоактивность | |
| Радиоактивные семейства | |
| Радиометрия | |
| Расходимости | |
| Резерфорда опыт | |
| Резонансы (резонансные частицы) | |
| Реликтовое микроволновое излучение | |
| Светимость ускорителя | |
| Сечение эффективное | |
| Сильное взаимодействие | |
| Синтеза реакции | |
| Синхротрон | |
| Синхрофазотрон | |
| Синхроциклотрон | |
| Система единиц измерений | |
| Слабое взаимодействие | |
| Солнечные нейтрино | |
| Сохранения законы | |
| Спаривания эффект | |
| Спин | |
| Спин-орбитальное взаимодействие | |
| Спиральность | |
| Стандартная модель | |
| Статистика | |
| Странные частицы | |
| Струи адронные | |
| Субатомные частицы | |
| Суперсимметрия | |
| Сферическая система координат | |
| Тёмная материя | |
| Термоядерные реакции | |
| Термоядерный реактор | |
| Тормозное излучение | |
| Трансурановые элементы | |
| Трек | |
| Туннельный эффект | |
| Ускорители заряженных частиц | |
| Фазотрон | |
| Фейнмана диаграммы | |
| Фермионы | |
| Формфактор | |
| Фотон | |
| Фотоэффект | |
| Фундаментальная длина | |
| Хиггса бозон | |
| Цвет | |
| Цепные ядерные реакции | |
| Цикл CNO | |
| Циклические ускорители | |
| Циклотрон | |
Чарм. Чармоний | |
| Черенковский счётчик | |
| Черенковсое излучение | |
| Черные дыры | |
| Шредингера уравнение | |
| Электрический квадрупольный момент ядра | |
| Электромагнитное взаимодействие | |
| Электрон | |
| Электрослабое взаимодействие | |
| Элементарные частицы | |
| Ядерная физика | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерные модели | |
| Ядерные реакции | |
| Ядерный взрыв | |
| Ядерный реактор | |
| Ядра энергия связи | |
| Ядро атомное | |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) |
«Эффект ожога».
Электромагнитное оружие России — фантастика или реальность?
В России в лабораторных условиях и на полигонах уже проводятся испытания электромагнитного оружия. Как сообщил ТАСС советник первого заместителя гендиректора концерна «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ, входит в госкорпорацию «Ростех») Владимир Михеев, так называемые СВЧ-пушки (СВЧ — сверхвысокочастотное излучение) «существуют и очень эффективно развиваются». В частности, ими планируется вооружать российские беспилотные самолеты шестого поколения. Также ведутся активные работы над системами защиты от такого вооружения. Однако использование в качестве электронного антиоружия СВЧ-сигналов — идея не новая.
На эту тему
«Это не фантастика, это разработки сегодняшнего дня, это будущее! И наверное, не такое уже далекое, потому что уже есть примеры его использования. Никакого ноу-хау, как говорят американцы, здесь нет. Я думаю, на полигонах оно существует. И думаю, его уже показывали первым лицам. Почему, собственно, об этом и говорят: было дано добро, чтоб это продолжать.
У нас много еще есть разработок, которые лежат в загашниках», — заявил ТАСС заслуженный военный летчик РФ, генерал-майор Владимир Попов.
Как не «сварить» пилота
О том, что нелетальные средства поражения противника будут широко применяться в локальных войнах будущего для выведения противника из строя, летом 2018 года заявлял индустриальный директор кластера обычных вооружений, боеприпасов и спецхимии госкорпорации «Ростех» Сергей Абрамов. «В настоящее время существуют весьма эффективные наработки по боевому применению звукового, лазерного оружия и оружия на базе СВЧ», — сказал он.
На эту тему
Также большее распространение будут получать высокоточные системы, обеспечивающие решение боевых задач с минимальными «сопутствующими» потерями и разрушениями. Новые войны, по мнению Абрамова, будут характеризоваться повышением стоимости подготовки современного солдата, и политические последствия его гибели будут стимулировать развитие беспилотных и автономных технологий.
В свою очередь, создаваемые истребители-беспилотники шестого поколения (ожидается, что опытный образец совершит первый полет до 2025 года) получат мощное СВЧ-оружие, которое сможет полностью выводить из строя электронику противника. При этом на пилотируемом варианте такого боевого самолета появление подобного вооружения крайне маловероятно.
В частности, электромагнитный импульс, которым будет вести стрельбу СВЧ-оружие, будет такой мощности, что крайне сложно защитить человека, летчика от собственного вооружения. Как бы хорошо мы ни экранировали кабину, этот электронный импульс будет туда проникать. А так как человек – это тоже в какой-то степени «прибор», работающий на основе приема и передачи электромагнитных сигналов, то такое оружие может нанести сильный ущерб здоровью пилота
Владимир Михеев
советник первого заместителя гендиректора концерна КРЭТ
«СВЧ опасно для живого организма, для клетки. Находиться, конечно, в самолете человек может, но это будет такая крайняя ситуация — как для радиации.
Защита должна быть очень мощной», — соглашается со словами Михеева военный летчик Попов, уточняя, что сверхвысокочастотное излучение может «сварить» пилота, какие-то клетки погибнут, — «обмен веществ нарушится полностью, и будут ожоги». Поэтому, по его мнению, нецелесообразно на самолет или вертолет ставить «в чистом виде такое оружие, так как должна быть очень мощная защита, а это приведет к увеличению веса самолета и потеряется его эффективность». Ведь даже самая сложная и результативная защита может быть недостаточно эффективна.
© Валерий Шарифулин/ТАСС
«Поэтому беспилотный вариант будет иметь характеристики, которых нельзя достичь на пилотируемом самолете: большую маневренность, гиперзвуковую скорость, возможность выходить в ближний космос», — говорит Михеев.
Ставить СВЧ-оружие на беспилотник — да, но, опять же, нужно смотреть, какое на нем будет управление в это время. Потому что эти системы будут подвержены тоже излучению, некоторые нужно будет также экранировать, избегать прямого попадания луча и так далее.
Есть прямой луч, а есть еще боковые, сопутствующие лучи — и они тоже поражают. Вот почему мы экранируем мощные радиостанции и локаторы — системы, где генерируется эта волна. Делаем кабину управления отдельно от базы излучателя, выносим антенну подальше
Владимир Попов
заслуженный военный летчик РФ, генерал-майор
СВЧ-печи против ракет
Из открытой печати известен случай успешного применения сверхвысокочастотного излучения во время военной операции НАТО против Югославии в 1999 году. Во время бомбардировок сильно мешали американские высокоскоростные противорадиолокационные ракеты HARM. Они применялись для борьбы с югославскими РЛС — ракета летела на сигнал излучения. И для обмана военные применяли простые микроволновки.
Противорадиолокационная ракета HARM на истребителе F/A-18C Hornet, 1998 год
© Mate 3rd Class Brian Fleske/U.S. Navy
Печи устанавливались на удалении от станции, с них снимались передние экраны, подключались в сеть от электрогенераторов и на земле делалось распределение по направлениям, откуда примерно могли наносить удары воздушные суда.
Создаваемое СВЧ-излучение сбивало системы управления и наведение ракеты, и вместо РЛС они поражали микроволновки. Такие искусственно созданные поля нашими военными специалистами, как правило, делались в ночное время и в сложных метеоусловиях.
Поэтому не исключено, что впоследствии на это и обратили внимание российские разработчики СВЧ-пушек. Идея превратилась в грозное оружие, причем не только оборонительное, но и наступательное.
Но, я думаю, для широкой публики это достаточно закрытый материал. То есть практика использования этого средства в качестве радиоэлектронного противодействия уже была, но изготовлена на коленке. Ведь в Югославии это было неспроста. Еще тогда были наши разработки РЭБ, которые сегодня работают в Сирии и мы применяем на полигонах. А тогда они были лишь разработками, научно-исследовательскими материалами, но уже на практике. Но в то время (1990-е годы) мне казалось, что это будущее, на грани фантастики почти
Владимир Попов
заслуженный военный летчик РФ, генерал-майор
Генерал рассказывает, что и сегодня уже есть образцы, которые могут работать по отдельной технике (выводят из строя радиоэлектронику) и воздействию на человека.
«А это тоже считается сдерживающим фактором для выполнения наземными силами и средствами наступательных действий. Почему? Будет ожоговый эффект, чувство неприятности и так далее, но это мягко говоря», — поясняет Попов. Пока «открывать полностью карты» по этому оружию как таковому, по его мнению, нецелесообразно. «Могут оказаться, знаете, люди, которые скажут, что это не гуманные средства ведения войны. А с другой стороны, скажут, что вот опять мы сделали шаг к очередной гонке вооружения», — говорит он.
На эту тему
Еще в 2015 году стало известно о разработке сухопутной СВЧ-пушки, которая может выводить из строя летательные аппараты противника в радиусе свыше 10 километров. По словам специалиста Объединенной приборостроительной корпорации (ОПК), мобильный комплекс микроволнового излучения способен выводить из строя аппаратуру самолетов, беспилотников и нейтрализует высокоточное оружие, обеспечивая новый уровень обороны. «По техническим характеристикам у него нет известных аналогов в мире», — уточнил представитель ОПК.
Сообщалось, что комплекс имеет в составе мощный релятивистский генератор и зеркальную антенну, систему управления и контроля, передающую систему, установленные на шасси зенитной ракетной установки «Бук». При установке на специальной платформе СВЧ-пушка может обеспечивать круговую оборону на 360 градусов. Отмечалось, что этот мобильный комплекс также планируется использовать для проверки на стойкость к воздействию мощного СВЧ-излучения отечественных радиоэлектронных систем военной техники.
Самоходная огневая пусковая установка комплекса «Бук»
© Артур Лебедев/ТАСС
Также западные СМИ сообщали о создании в России ракеты «Алабуга» с генератором электромагнитного поля высокой мощности. «Секретное оружие русских с помощью высокочастотного излучения отключает систему коммуникаций и обезвреживает технику», — пугающе писал автор британского издания Daily Star в 2017 году. Радиоэлектронная ракета сделает бесполезной натовскую технику в радиусе трех с половиной километров. Однако компания-разработчик потом сообщила, что такой проект реализовывался в 2011–2012 годах и был проведен целый ряд научных исследований.
И основным результатом этой программы стало определение номенклатуры радиоэлектронного вооружения и его воздействия на технику условного противника.
СВЧ-оружие есть, испытания в лабораторных условиях идут постоянно. Например, можем сжечь какой-нибудь прибор, чтобы посмотреть, какое количество электромагнитной энергии и как нужно приложить. Учитывая, что наши «вероятные друзья» ведут такие же исследования, мы разрабатываем еще и систему защиты, чтобы приемник, система РЭБ или наша ракета не вышла из строя от применения СВЧ-оружия противника
Владимир Михеев
советник первого заместителя гендиректора КРЭТ
По мнению Попова, когда проходят исследования, любое новое открытие сулит перспективы благ и использования как средства поражения и обороны. «Открыли ядерное оружие — пожалуйста. Открыли лазерный луч — тоже, но сначала мы его использовали как дальномеры, достаточно безопасные средства. Но они нам увеличивали точностные характеристики, поэтому мы их использовали с удовольствием на первом этапе, а потом применили уже как средство поражения.
Подошли к технологиям возможности использования на борту», — рассказывает летчик.
«Листва» прикроет «Ярсы»
В армии России уже имеются некоторые образцы наземного электромагнитного оружия, которые даже демонстрировались широкой публике на форуме «Армия-2018». Речь идет о машине дистанционного разминирования (МДР) «Листва». Она относится к технике, работающей на новых физических принципах, — на бронеавтомобиле установлен блок сверхвысокочастотного излучения.
Машина дистанционного разминирования «Листва»
© Минобороны России
Машина создавалась специально для Ракетных войск стратегического назначения и доказала свою эффективность — до 2020 года соединения и части получат около 20 единиц МДР. Испытания машина проходила с 2013 года. Впервые на учениях она была применена для сопровождения ракетного комплекса «Ярс» на маршрутах боевого патрулирования год назад. «Листва» обезвредила все взрывные устройства не только на обочине и дороге, но и на расстоянии 70 метров от самой трассы.
Сообщалось, что ранее эту технологию для ликвидации взрывных устройств на расстоянии не использовали.
На эту тему
Машина предназначена для обнаружения минно-взрывных устройств с металлическими элементами и уничтожения инженерных боеприпасов и самодельных взрывных устройств, имеющих в составе электронные компоненты. Мины и фугасы электроника «Листвы» способна обнаружить на дистанции до 100 метров в секторе 30 градусов. Разминирование минно-взрывных устройств обеспечивается электромагнитным излучением, создаваемым электромагнитным комплексом в составе сверхвысокочастотной и сверхширокополосной установок. При этом выводятся из строя, блокируются электронные компоненты взрывателей или происходит их подрыв.
Говоря об уже созданных образцах СВЧ-оружия, генерал Попов не исключает тот факт, что в разное время и в разных средах их использование будет иметь какие-то определенные ограничения. «Но надо понимать, что оно не всепогодное пока еще и не глобальное оружие будет. Одно дело его использовать в космическом пространстве, другое — в воздушном (с самолетов и вертолетов) и на земле, когда свои войска надо оберегать от этих излучений», — заключает специалист.
Роман Азанов
Сила известных физических взаимодействий / Хабр
В этой статье я хочу обсудить основные свойства известных нам взаимодействий – четырёх наблюдаемых и пятого – нового – о чьём существовании мы делаем вывод из открытия частицы Хиггса.
Конкретно я хочу обсудить, что имеют в виду специалисты по физике частиц, описывая взаимодействия, как слабые или сильные. Такую терминологию вы можете встречать часто, но если её никто вам не объяснял, невозможно догадаться, что она означает. Так что вот вам объяснение – хоть и длинное, но, надеюсь, оно откроет вам глаза на то, как работает природа, а также поднимет много новых вопросов, на которые я надеюсь ответить позже.
«Слабые» против «сильных»
Что означают эти термины? В обычной жизни мы представляли бы, что сильное взаимодействие может поднять нас в воздух, а со слабым мы можем справиться, немного напрягши мускулы. Но специалисты по физике частиц имеют в виду вовсе не это.
Говоря о сильных и слабых, физики не имеют в виду абсолютную силу или слабость взаимодействия. Речь не идёт о том, сможет ли взаимодействие разбить окно или удержать золотой слиток. В этом контексте термины «сильный» и «слабый» не совсем абсолютные, в том смысле, в котором мы используем их в повседневной жизни или даже в начальных классах по физике. Эта терминология появилась благодаря глубокому пониманию квантовой теории поля, современного математического языка, используемого для описания известных элементарных частиц и сил. Но он фундаментален для современного обсуждения этих проблем физиками. Так что я начну с обоснования причин появления таких терминов.
Возьмём пару объектов определённого типа, допустим, элементарных частиц, и поместим их на расстоянии r друг от друга. Допустим, каждая оказывает воздействие F на другую. Тогда мы скажем, что воздействие слабое, если
Где h – постоянная Планка, c – скорость света. Часто в физике удобно использовать не h, а
Короче говоря, в физике частиц:
• Для слабого взаимодействия
• Для сильного взаимодействия
Обычно, даже в теоретических изысканиях, нам не встречаются взаимодействия гораздо сильнее .
Такая сила делает их столь сложными, что мы работаем с ними иным способом. Но это долгая история.
Получается, что подобная характеристика говорит не об абсолютной силе или слабости взаимодействия, но о том, является ли оно сильным или слабым по сравнению с типичными взаимодействиями, работающими на расстоянии r. Учитывается не само взаимодействие; учитывается взаимодействие, помноженное на квадрат расстояния, и эта величина сравнивается с ℏ c.
Чтобы объяснить полезность этого понятия, я дам иллюстрацию для случая электромагнитных взаимодействий, воздействующих на простые заряженные частицы – электроны, позитроны и протоны. Электрический заряд электронов равен –e; у протонов и позитронов заряд равен +e.
Во-первых, представьте два неподвижных протона, каждый массой m и электрическим зарядом +e, находящихся на расстоянии r друг от друга. Электрическая сила расталкивает их в стороны, и её величина задаётся формулой
Та же формула применима и для двух электронов с зарядом –e.
Для электрона и позитрона взаимодействие будет таким же, только оно будет притягивать их, а не расталкивать.
Что такое k? Это постоянная Кулона, а её значение зависит от того, как определять e, основную единицу заряда. Но это неважно, поскольку при обсуждении электрических взаимодействий и элементарных частиц мы всегда будем видеть совместное появление ke2. Нам не нужно знать, насколько велика k, нам только нужно знать, насколько велика ke2?
Оказывается, что если r больше, чем миллионная миллионной доли метра, тогда ke2 примерно равняется 0,007, помножить на (h c/2π), где h – постоянная Планка, а c – скорость света. Поэтому мы можем записать электрическую силу, помноженную на r2, как примерно равную
Поскольку 0,007 гораздо меньше 1, электромагнетизм – слабое взаимодействие, и остаётся таким на всех расстояниях, измеренных нами.
Тут очень важно не запутаться! Только из того, что электромагнетизм – слабое взаимодействие, не следует, что взаимодействие двух протонов слабое в абсолютном исчислении.
На самом деле электрическую силу, пытающуюся оттолкнуть два протона в ядре гелия, можно сравнить с весом грузовика! И вся эта сила действует на две крохотных частички! Но для таких малых расстояний это воздействие довольно слабое, и более сильное взаимодействие («сильное ядерное взаимодействие») противостоит электромагнитному отталкиванию, удерживая протоны и нейтроны в ядре гелия вместе.
Кстати, для этой величины 0,007 есть историческое название; её называют постоянной тонкой структуры (поскольку она задаёт размер небольших отличий в энергиях различных конфигураций атомов), и обычно обозначают α:
Это одна из наиболее точно измеренных величин природы. Часто люди записывают её примерно равной 1/137 (и многие годы некоторые учёные думали, что число 137 какое-то особенное), но если делать это совсем точно, тогда придётся записать 1/137,0359990…
Так почему же тот факт, что α гораздо меньше 1, говорит о том, что это взаимодействие надо записать в слабые, а не в сильные?
Почему то, что α << 1, означает, что электромагнитное взаимодействие слабое
Проще всего показать это на примере, в котором сила притягивает частицы – например, электрон и позитрон, или электрон и протон.
С электрона и позитрона начать легче, поскольку у них равные массы; они формируют похожее на атом состояние под названием позитроний, аналогичное атому водорода, сформированному электроном и протоном, но более симметричное, в котором две частицы движутся по орбите друг вокруг друга. В атоме водорода электрон движется по орбите вокруг практически неподвижного протона. На самом деле формулы для водорода подходят и для позитрония, с небольшими изменениями (отличаются в 2 раза) в нескольких местах. (Да, электрон и позитрон в позитронии в конце концов аннигилируют и превращаются в два-три фотона, но только после того, как частицы совершат много миллиардов оборотов – что, правда, занимает малую долю секунды). Для позитрония в состоянии наименьшей энергии:
• типичная скорость каждой частицы равна α/2 × c;
• типична энергия движения (кинетическая) каждой частицы равна mc2 × α2/8;
энергия взаимодействия (потенциальная) двух частиц равна –mc2 × α2/2;
• связывающая энергия B позитрониума (сумма энергии движения и энергии взаимодействия) равна mc2 × α2/4;
• энергия массы позитрониума 2 mc2 – B; и поскольку второе гораздо меньше первого, то масса атома оказывается всего лишь немногим меньшей, чем сумма масс электрона и позитрона.
Короче говоря, из-за того, что α гораздо меньше 1, существуют три важнейших, связанных между собой факта:
• Электрон и позитрон двигаются со скоростями, сравнимыми со скоростью света c.
• Кинетическая энергия, потенциальная энергия и энергия связи B малы по сравнению с энергией массы электрона и позитрона, E = mc2.
• Масса позитрония очень близка к сумме масс электрона и позитрона.
Все эти утверждения верны вне зависимости от того, насколько велика или мала масса электрона; они зависят только от малой величины α.
Всё это вместе значит, что для описания этого похожего на атом состояния Эйнштейновская специальная теория относительности не важна. Законы движения Ньютона достаточно хорошо подходят для предсказаний, вплоть до деталей, не больших, чем α – то есть, с точностью в 1% или лучше. И, как мы увидим далее, это значит, что система относительно проста. Её можно описать, используя квантовую механику с достаточно простой математикой, без участия квантовой теории поля, которая была бы необходима, если бы была важна СТО.
Математика атома водорода такая же, как у позитрониума, и она настолько простая, что физики знакомятся с ней в институте, на первых уроках по квантовой механике.
Об этом можно думать ещё одним полезным, хотя и менее известным способом. Нужно помнить, что электроны, как и все элементарные частицы, в реальности являются квантами – крохотными возмущениями квантовых полей. Они больше похожи на волны, чем на мелкие шарики. Соответственно, они вибрируют, как и все волны: у них есть частота вибраций. Время, проходящее от одной вибрации до другой – которое я люблю поэтически называть «сердцебиением» – равно hc/m. Если α мало, тогда время, требуемое свету на то, чтобы пересечь атомоподобное состояние, гораздо больше, в 1/α раз, чем сердцебиение частиц, которое оно содержит. В этом смысле позитроний довольно большой. И поскольку сами частицы перемещаются гораздо медленнее света, у частиц на пересечение этого атомоподобного состояния уходит ещё больше времени – что-то в районе 1/α2 сердцебиений.
Когда α мало, другие вещи, которые могли быть более сложными, также упрощаются. К примеру, воздействие позитрона на электрон может заставить электрон превратиться в виртуальный электрон и виртуальный фотон – иногда и ненадолго. (Виртуальные «частицы» не являются частицами; настоящая частица – это хорошо ведущая себя волна квантового поля, а виртуальная – это более общее возмущение этих полей). Но это происходит редко, когда α мало. Ещё реже сам виртуальный фотон возмущается и превращается в виртуальный электрон и позитрон. Поскольку энергию в размере 2mc2, необходимую для получения реальных электрона и позитрона, взять неоткуда (вспомните, что энергии движения и взаимодействий гораздо меньше), виртуальные электрон и позитрон появляются очень редко. То, что виртуальные частицы появляются редко, позволяет говорить о том, что «атом позитрония состоит из электрона и позитрона» – именно так и есть, большую часть времени. Только в очень точных вычислениях требуется быть более осторожным, и помнить, что это не всегда так.
То же работает и для атома водорода: это (почти всё время) только один электрон и один протон, удерживаемые простым электрическим взаимодействием.
Что было бы, если бы α была бы примерно равной 1?
Теперь представим, что α постепенно растёт и приближается к 1. Что случится с позитрониумом?
Рис. 1
С увеличением α взаимодействие (на любом расстоянии) между электроном и позитроном становится сильнее, и поскольку они притягиваются сильнее, то частицы в атомоподобном состоянии сдвигаются ближе. Частицы движутся быстрее, приближаясь к скорости света. Энергия движения частиц растёт, величина энергии взаимодействия растёт, как растёт и энергия связи – и приближается к 2m. Соответственно, масса атомоподобного состояния уже не равна примерно 2m. Размер атомоподобного состояния становится меньше; время, требуемое на пересечение его светом, время, требуемое на пересечение его частицами, и время, проходящее между двумя сердцебиениями частиц, начинают сравниваться между собой.
Усиление взаимодействия электрона и позитрона приводит к более частому появлению виртуальных фотонов; присутствие большего количества энергии в атоме облегчает превращение виртуального фотона в виртуальные электрон и позитрон. Когда это происходит, становится трудно сказать, какой электрон реален, а какой виртуален, поскольку между двумя электронами тоже действуют мощные силы, как и между электроном и любым из позитронов. Это может привести к тому, что частица, бывшая реальной, станет виртуальной, и сделает виртуальную частицу реальной – и обратно. А в это время виртуальные электроны и позитроны также могут испускать или поглощать фотоны, которые могут быть и виртуальными, и реальными.
Само разделение между реальными и виртуальными частицами становится сложнее провести. Реальные частицы должны быть правильно ведущими себя возмущениями квантовых полей. Но атомоподобное состояние настолько мало, что у электрона и позитрона на его пересечение уходит всего одно сердцебиение, а в этот момент мощные взаимодействия уже принудят их изменить направление.
Как мы можем казать, что такая частица похожа на хорошо себя ведущее возмущение? Хорошо себя ведущая волна должна волноваться некоторое время – несколько сердцебиений – перед тем, как на неё начнут оказывать влияние внешние силы. А тут наш электрон, хотя он и больше похож на реальную частицу, чем на виртуальную, всё же сильно искажается, и уже не подходит под определение «реальной частицы». И этот электрон вообще может существовать недолго. За появлением виртуальной электрон-позитронной пары может последовать аннигиляция бывшего реального электрона с новообразованным позитроном, после чего останется возможно реальный/возможно виртуальный электрон.
Так что, вместо того, что у нас есть малое α – простая система с массой чуть меньше 2m, состоящая из электрона и позитрона, движущихся со скоростями гораздо меньше световой – при приближении α к 1 мы обнаруживаем чрезвычайно сложную систему, в которой множество частиц движется с околосветовыми скоростями, с массой, сильно отличающейся от 2m (см.
рис. 1). Невозможно сказать, сколько частиц находится внутри – будем ли мы считать только реальные? Если да, каким образом точно отличить почти реальные от почти виртуальных? Количество реальных частиц может постоянно меняться.
Вот, что характеризует реально сильное взаимодействие; формируемые им объекты гораздо сложнее атомов. Учёным в каком-то смысле повезло, что первыми объектами, встреченными на пути к квантовой теории поля, были атомы. Их удерживает слабое взаимодействие – электромагнитная сила – и их было легко понять при помощи простой математики квантовой механики, в которой количество частиц постоянно. Протоны же удерживает сильное взаимодействие – сильное ядерное взаимодействие. Поэтому неудивительно, что строение протонов гораздо, гораздо сложнее, чем у атомов. Количество частиц внутри протона постоянно меняется – и для этого требуется гораздо более сложная математика квантовой теории поля.
Кстати, электрическое взаимодействие между двумя электронами слабое из-за того, что α мало.
То же самое верно для взаимодействий между двумя элементарными частицами, поскольку заряды всех известных частиц находятся в промежутке от –e до e – к примеру, заряд верхних кварков равен 2/3 e. Вы можете заинтересоваться взаимодействием между электроном и ядром урана, поскольку заряд ядра урана равен 92 e. Да, в этом случае взаимодействие оказывается весьма сильным! Но в этом случае проявляется лишь часть эффектов, описанных мною для сильных взаимодействий, поскольку изменение заряда только одного из взаимодействующих объектов (в частности, тяжёлого) не увеличивает вероятность обнаружения виртуальных электрон-позитронных пар. Это изменится, только если заряд самого электрона станет гораздо больше, чем e! Так что даже атом урана остаётся значительно проще протона.
Насколько слабо слабое ядерное взаимодействие? Сложный вопрос…
Насколько сильны другие известные взаимодействия природы? Мы увидели, что у электрических взаимодействий сила равна α – по крайней мере, на микроскопическом, атомном и субатомном уровне.
И на таких расстояниях, вплоть до миллионной миллионных долей метра, α постоянна. Она не зависит от r, и в частности поэтому является такой удобной мерой. Но на самом деле сила взаимодействия может меняться с расстоянием, что всё усложняет. Для электромагнетизма это не так важно, этот эффект очень мал. Но для других сил это важно.
Так называемое слабое ядерное взаимодействие, конечно же, слабое. Оно слабое на макроскопическом, атомном и даже ядерном уровне. Но его сила не постоянна. На расстояниях, больших по сравнению с ℏ c/MW ~ 3 × 10-18 метра (порядка 1/300 радиуса протона), где MW = 80 ГэВ/c2 — масса частицы W, его сила αслабое примерно равна
Экспонента
делает это взаимодействие удивительно слабым! Даже на расстояниях, сравнимых с размером протона этот множитель уже равен e
-300
, что означает уменьшение его силы на столько, что я даже не могу записать тут это число – это 1 со 130 нулями.
(Это больше гугола, единицы со ста нулями). И потом эта сила быстро убывает далее. Почему? Тот же эффект, что даёт частице W (возмущению поля W) массу, делает невозможным возмущение поля W на больших расстояниях, в отличие от эффекта, оказываемого электроном или протоном на электрическом поле. Соответственно, воздействие поля W не работает на больших расстояниях.
Но и для ещё меньших расстояний
Обратите внимание, что оно в несколько раз больше, чем электромагнитная сила! Слабое взаимодействие по своей сути вовсе не слабое – см. рис. 2. Предупреждение: я не включаю сюда тонкости, связанные со взаимодействием слабого и электромагнитного взаимодействий на таких малых расстояниях, а также с очень медленным изменением силы, которое становится заметным на куда как меньших дистанциях.
Слабое взаимодействие выглядит таким слабым, при наблюдении его на примере физики ядер, атомов и повседневной жизни, огромная масса частицы W. Если бы частица W не имела массы, то воздействие «слабого» ядерного взаимодействия было бы сильнее, чем у электрического! Это ещё один контекст, в котором поле Хиггса, придающее частице W её массу, играют важную роль в наших жизнях!
Сильное ядерное взаимодействие
Сильное ядерное взаимодействие, притягивающее и отталкивающее кварки и глюоны (но не электроны) работает совсем по-другому.
На расстояниях, которые мы обсуждали в случае слабого ядерного взаимодействия — 3 × 10
-18
метра — сильное ядерное взаимодействие гораздо сильнее как слабого, так и электромагнитного:
Это не особенно сильно; это примерно в десять раз слабее по-настоящему сильного взаимодействия, и всего в десять раз сильнее электромагнетизма. На самом деле, хотя на макроскопических расстояниях они и сильно отличаются, но сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие отличаются друг от друга всего примерно в 10 раз на расстояниях меньших, чем 3 × 10
-18
м. Это удивительно, и, вероятно, не случайно. Оттуда и до идеи «
великого объединения
» трёх этих сил шаг совсем небольшой – есть мнение, что на гораздо меньших расстояниях все три взаимодействия обладают одной силой, и становятся частями более универсального взаимодействия.
Но на больших расстояниях сильное ядерное взаимодействие постепенно становится относительно сильным. И опять-таки напоминаю, что мы имеем в виду под «слабым» и «сильным»; взаимодействие становится слабее в абсолютном выражении при увеличении r, но по сравнению, допустим, с электромагнитным взаимодействием на той же дистанции оно становится сильнее.
Это весьма сильно! А к тому времени, как r достигает 10
-15
м, радиуса протона, α
сильное
становится больше 1 и его уже нельзя определить уникальным образом.
Короче, сильное ядерное взаимодействие, которое на расстояниях гораздо меньших радиуса протона демонстрирует умеренную силу, растёт (в относительном понимании) при увеличении расстояний, и становится реально сильным на расстоянии в 10-15 м (это показано на рис. 2). Именно это на самом деле сильное взаимодействие создаёт протон и нейтрон, и остаточный эффект этого взаимодействия комбинирует эти объекты в ядро атома. Другие важные эффекты от усиления этого взаимодействия – преобразование высокоэнергетических кварков и глюонов в адронные струи.
Почему же сильное взаимодействие постепенно растёт при увеличении r? Это я расскажу как-нибудь в другой раз, но по сути, это очень тонкий эффект, возникающий из-за возмущений (виртуальных частиц) в полях кварков и глюонов, на которые воздействует сильное взаимодействие.
Такие же эффекты влияют на слабое и электромагнитное взаимодействие, но уже не так сильно, поэтому я его раньше и не упоминал. К примеру, на расстоянии в 3 × 10-18 м электромагнитное α становится ближе к 1/128, чем к его значению для больших расстояний, равное 1/137.
Учитывая силу сильного ядерного взаимодействия, почему же мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни? Это связано с тонкостями того, каким образом оно так плотно упаковывает кварки, глюоны и антикварки в протоны и нейтроны, что мы никогда не наблюдаем их отдельно. Всё это сильно отличается от того, как слабое электромагнитное взаимодействие позволяет электронам легко убегать из атомов, допуская такие явления, как статическое электричество (куда входят и молнии) и электрический ток (в том числе и по проводам).
Сила гравитации
Что насчёт гравитации? Для известных нам частиц гравитация удивительно слаба. Для двух неподвижных частиц массы m гравитация будет иметь величину
Где G
N
— гравитационная константа Ньютона.
Сравните это с электрической силой, у которой α = ke
2
/ ℏ c. Роли k и e электрических сил здесь играют G
N
и m. Отмечу, что я использую формулу Ньютона для гравитации, но пока α
гравитация
мало по сравнению с 1, эйнштейновская формула притяжения двух объектов будет по сути той же.
Теперь перепишем формулу через планковскую массу MP = 1019 ГэВ/с2, или порядка массы 10 миллионов миллионов миллионов протонов, или 20 тысяч миллионов миллионов миллионов электронов. Она равна примерно одной десятой массы крупинки соли.
Так что для двух протонов массой 1 ГэВ/с
2
гравитационное взаимодействие между ними будет выражаться квадратом 10
-19
:
Это единица, перед которой стоит 37 нулей и десятичный разделитель! А для двух электронов
Что, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона, в 4 миллиона раз слабее. Даже для пары верхних кварков, которые почти в 200 раз тяжелее протона, и масса которых наибольшая среди масс всех известных частиц, сила гравитации будет равной
Это примерно в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньше электрического взаимодействия двух верхних кварков.
Поэтому на рис. 2 гравитация не отображена.
Если подумать, эта удивительная слабость гравитации объясняет, почему вы (используя электрические силы, питающие ваши мускулы и удерживающие ваше тело) можете так свободно двигаться, несмотря на то, что вас притягивает целая огромная Земля. Это даже объясняет, как Земля может во столько раз превышать по размерам атом; гравитация хочет сжать Землю, но целостность атомов, чьи электрические силы сопротивляются сжатию, этому мешает. Если бы гравитационные силы были гораздо сильнее, или электрические – слабее, гравитация сжала бы Землю до гораздо меньшего размера и гораздо большей плотности.
Гравитация настолько слаба, что удивительно, что мы её вообще открыли. Почему же она стала первой известной людям силой? Потому, что это единственная сила, выживающая на очень дальних расстояниях в обычной материи.
• Слабое ядерное взаимодействие становится чрезвычайно слабым на больших расстояниях.
• Электромагнетизм выживает дольше, и хотя это взаимодействие не очень сильное, его достаточно для того, чтобы связать большую часть электронов и атомных ядер в электрически нейтральные комбинации, чьи электрически силы взаимно уничтожаются.
К примеру, атом водорода не притягивает удалённый электрон, поскольку электрон в атоме водорода отталкивает его, а протон в ядре – притягивает, и две этих силы уравновешиваются.
• Сильное ядерное взаимодействие такое сильное, что связывает кварки, глюоны и антикварки в комбинации, у которых тоже проявляются похожие уравновешивающие эффекты.
• Но уравновешивать гравитацию нечем. Не существует частиц, создающих гравитационное взаимодействие, отталкивающее материю, поэтому нельзя скомбинировать две частицы так, чтобы их гравитационное воздействие на удалённые объекты уравновешивалось.
Взаимодействие Хиггса?
С 2012 года у нас есть новая пища для размышлений: взаимодействие частиц, вызываемое полем Хиггса. Не нужно путать его с эффектом, благодаря которому поле Хиггса придаёт всем известным частицам их массы; поле Хиггса может оказывать этот эффект на единичную, изолированную частицу. Это не воздействие, оно не тянет и не толкает. Но поле Хиггса может также порождать взаимодействие двух частиц; это происходит очень похоже на электромагнетизм.
Однако с обычной материей это воздействие очень, очень тяжело обнаружить. На коротких расстояниях для таких частиц, как электроны, и верхние и нижние кварки, доминирующие в протоне, взаимодействие Хиггса очень слабо (слабее, чем электромагнетизм, но гораздо сильнее гравитации). На больших расстояниях, как и слабое ядерное взаимодействие, взаимодействие Хиггса становится чрезвычайно слабым, поскольку у частицы Хиггса, как и у частицы W, есть масса.
Поле Хиггса порождает взаимодействие сходное со слабым ядерным взаимодействием в том, что у него очень малая дистанция воздействия, и что оно становится неэффективным на расстояниях, больших по сравнению с ℏ c / Mh ~ 2 × 10-18 м (1/500 радиуса протона), где Mh ≈ 125 ГэВ/c2, масса частицы Хиггса. На первый взгляд формула похожа на формулу для гравитации, поскольку сила притяжения пропорциональна массам двух элементарных частиц.
Где v = 246 ГэВ, это постоянное значение поля Хиггса, существующее во всей Вселенной.
(На самом деле, строго говоря в формуле есть ещё один квадратный корень из 2, но давайте упростим для улучшения понимания).
Но будьте осторожны! Схожесть с гравитацией может сбить с толку. Эта формула точно работает для известных элементарных частиц – объектов, получающих свою массу от поля Хиггса. Она работает для электронов, мюонов и кварков. Она не работает для протонов, нейтронов, атомов или вас! Оттого, что масса протона (и нейтрона, а следовательно, и атома, а следовательно, и ваша) не полностью порождается полем Хиггса. Это отличается от формулы для гравитации, которая верна для всех медленных объектов! Вместо этого в случае обычной атомной материи нам нужно было бы заменить формулу похожей, но имеющей спереди другой множитель, свой для каждого атома. Но качественно зависимость от расстояния осталась бы схожей.
Кроме того, написанная мною формула предполагает существование только одного поля Хиггса и одной частицы Хиггса (что пока ещё не доказано, но является простейшей возможностью, соответствующей полученным данным).
Если это не так, формула усложнится, хотя и сохранит схожую форму.
Рис. 2
Насколько сильно это взаимодействие? На очень коротких расстояниях, короче, чем 2 × 10-18 м, взаимодействие Хиггса для двух кварков сравнимо с сильным ядерным взаимодействием на таком же расстоянии (см. рис. 2)! Но в случае электронов, обладающих меньшей массой из-за меньшего взаимодействия с полем Хиггса, это взаимодействие даже на меньших расстояниях будет гораздо слабее электрических – больше, чем в тысячу миллионов раз слабее – хотя и в тысячи миллионов миллионов раз сильнее, чем гравитационное взаимодействие электронов. Однако, если взять два электрона в атоме, которые расположены друг от друга в десять миллионов раз дальше, чем 2 × 10-18 м, тогда взаимодействие Хиггса между ними будет гораздо, гораздо меньше даже крохотного гравитационного взаимодействия, в e10 000 000 раз. И даже если бы поле Хиггса отвечало бы за всю массу протонов и нейтронов, то взаимодействие Хиггса в ядре было бы всё равно гораздо слабее гравитации, которая, в свою очередь, невероятно мала по сравнению с сильным ядерным взаимодействием, удерживающим части ядра.
Именно удивительная слабость взаимодействия Хиггса в контексте обычной материи делает его таким сложным для обнаружения. С другой стороны, взаимодействие Хиггса, как и гравитация, всегда работает на притяжение, и не уравновешивается. Но с третьей стороны, это не имеет значения, поскольку, как и слабое ядерное взаимодействие, взаимодействие Хиггса не выживает на длинных расстояниях, поскольку у частицы Хиггса, как и у частицы W, есть масса. Взаимодействие Хиггса на ультракоротких расстояниях гораздо сильнее гравитации, но на ядерных и атомных расстояниях оно гораздо слабее из-за массы частицы Хиггса. А для частиц малой массы, из которых мы состоим, слабо взаимодействующих с полем Хиггса, взаимодействие Хиггса всегда в тысячи миллионов раз слабее электрических сил, даже очень малых расстояниях.
Так что, хотя каждый атом Земли взаимодействует через Хиггса с каждым другим атомом Земли, эта сила настолько крохотна, даже для соседних атомов, а особенно – для далеко отстоящих, что её эффекта обнаружить невозможно.
Поэтому нам пришлось напрямую найти частицу Хиггса, чтобы подтвердить существование поля Хиггса; мы не могли искать создаваемую им силу так, как мы можем наблюдать электрические или магнитные силы и подтверждать таким способом существование электрических и магнитных полей.
Когда же мы сможем наблюдать действие этой силы? Её воздействие будет впервые обнаружено либо при рассеянии частиц W и Z друг с другом (что рано или поздно будет проделано, не напрямую, в столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере) или во взаимодействиях верхнего кварка и верхнего антикварка (что можно наблюдать на электрон-позитронном коллайдере – кстати, свою первую работу по физике частиц я написал именно об этом явлении).
Научно-образовательный портал ТУСУР | Электромагнитные поля и волны: Учебное пособие / Падусова Е. В., Шангина Л. И., Замотринский В. А., Соколова Ж. М. — 2012. 182 с.
Введение
Список условных обозначений
1. Уравнения Максвелла
1.
1 Уравнения максвелла в интегральной и дифференциальной формах
1.2 Материальные уравнения, граничные условия и энергия ЭМП
1.3 Примеры решения типовых задач
1.4 Задачи для самостоятельного решения
2. Электростатические поля
2.1. Электростатический потенциал. Уравнения для потенциала. Поля, создаваемые заряженными телами
2.2 Энергия электростатического поля. Емкость. Силы в электростатическом поле
2.3.Примеры расчета электростатических полей
2.4. Задачи для самостоятельного решения
3. Электромагнитное поле постоянных токов
3.1. Электрическое поле постоянного тока
3.2 Магнитное поле постоянного тока
3.3 Энергия магнитного поля постоянного тока
3.4 Индуктивность и взаимная индуктивность
3.5 Примеры решения типовых задач
3.6. Задачи для самостоятельного решения
4.
Плоские электромагнитные волны
4.1. Плоские волны в безграничных средах
4.1.1 Примеры решения типовых задач
4.2. Отражение и преломление плоских волн от плоской границы раздела двух сред
4.2.1. Примеры решения типовых задач
4.3 Задачи для самостоятельного решения
5. Излучение электромагнитных волн элементарными излучателями
5.1. Краткие теоретические сведения
5.2 Примеры решения типовых задач
5.3 Задачи для самостоятельного решения
6. Электромагнитные поля в волноводах
6.1 Краткие теоретические сведения
6.2 Примеры решения типовых задач
6.3. Задачи для самостоятельного решения
Приложение 1. Элементы векторного анализа
Приложение 2. Метод разделения переменных в электростатике
Литература
Электромагнитная сила — Energy Education
Электромагнитная сила , также называемая силой Лоренца , объясняет, как взаимодействуют движущиеся и неподвижные заряженные частицы.
Это называется электромагнитной силой, потому что она включает в себя прежде отдельные электрическую силу и магнитную силу; магнитные силы и электрические силы на самом деле являются одной и той же фундаментальной силой. [1] Электромагнитная сила является одной из четырех фундаментальных сил.
Электрическая сила действует между всеми заряженными частицами, независимо от того, движутся они или нет. [1] Магнитная сила действует между движущимися заряженными частицами. Это означает, что каждая заряженная частица испускает электрическое поле независимо от того, движется она или нет. Движущиеся заряженные частицы (например, в электрическом токе) испускают магнитные поля. Эйнштейн развил свою теорию относительности из идеи, что если наблюдатель движется вместе с заряженными частицами, то магнитные поля превращаются в электрические и наоборот! Одним из частных случаев электромагнитной силы, когда все заряды являются точечными (или могут быть разбиты на точечные заряды), является закон Кулона.
Поскольку расчет силы воздействия каждого отдельного заряда на любой другой отдельный заряд до смешного сложен, физики разработали инструменты для упрощения этих расчетов. Эти упрощенные расчеты превращаются в макроскопические, повседневные явления, перечисленные ниже:
- будничные силы как
- большая часть химии
- удерживание атомов вместе
- химические связи между атомами с образованием молекул, как при горении
- сохранение определенной формы твердых тел
- Липкие вещества, такие как клейкая лента или смола, прилипшие к поверхностям
- Магниты, прикрепляющие произведение искусства к холодильнику
- Сила, действующая на электроны в проволочной петле, когда они находятся вблизи меняющегося магнитного поля.Электромагнитная сила очень тесно связана с электродвижущей силой, которая вызывает протекание электрического тока.
Современная физика объединила электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое взаимодействие.
Полное понимание электромагнитной силы и всех последствий электромагнетизма требует многих лет изучения. Некоторые хорошие места, где можно найти дополнительную информацию об электромагнетизме, включают гиперфизику.
Ниже представлена серия Scishow о фундаментальных силах, часть 4a (электричество) и 4b (магнетизм):
А вот и часть 2.
В других видео рассказывается о сильном ядерном взаимодействии, слабом ядерном взаимодействии и гравитации. Посетите их канал на YouTube, чтобы увидеть больше подобных видео! (замечательный ресурс для любознательных людей).
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:
Каталожные номера
- ↑ 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Закон силы Лоренца» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд.Сан-Франциско, США: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008 г., глава 35, раздел 5, стр. 1096–1097.
Д. Найт, «Закон силы Лоренца» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд.Сан-Франциско, США: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008 г., глава 35, раздел 5, стр. 1096–1097.8 примеров электромагнитных сил в реальной жизни — StudiousGuy
Электромагнитная сила — это раздел физики, изучающий силу, существующую между двумя электрически заряженными частицами. Это одна из четырех фундаментальных сил. Как следует из названия, электромагнитная сила представляет собой комбинацию электрических и магнитных сил. В зависимости от природы зарядов, которыми обладают два тела, электромагнитная сила может быть притягивающей или отталкивающей.Когда через проводник протекает значительный ток, в проводнике возникает магнитное поле. Этот процесс известен как электромагнетизм. Электромагнитная сила также известна как сила Лоренца.
Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)
Примеры
1.
Праздничный трюк с воздушными шарами
Когда человек трется воздушным шаром о волосы, электроны оседают на внешней поверхности воздушного шара, вызывая появление статического заряда.Существует взаимодействие между зарядом, возникающим на баллоне, и зарядом, присутствующим на стенке. Этого взаимодействия заряда, называемого электромагнитной силой, достаточно, чтобы приклеить воздушный шар к стене.
2. Громкоговоритель
Динамики с постоянными магнитами используются для преобразования электрической энергии в звуковую. Работает по принципу электромагнетизма. Он состоит из металлической катушки, соединенной с постоянным магнитом.Когда ток проходит через эту проводящую катушку, вокруг нее создается магнитное поле, которое вторгается в уже существующее магнитное поле вокруг постоянного магнита. Это приводит к развитию вибраций, которые преобразуются в звуковую энергию. Звук может быть дополнительно усилен с помощью конической конструкции, прикрепленной к передней части громкоговорителя.
3. Телевидение
Электронно-лучевые телевизоры используют электромагнитную силу для проявления изображения на экране.Отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, проходят между двумя медными катушками управления. Поток электронов создает магнитное поле, которое заставляет заряженные частицы отклоняться. Одна из катушек отвечает за горизонтальное движение, а другая — за вертикальное. Эти отклоненные электроны попадают на экран, заставляя фосфоресцирующее покрытие светиться и создавать изображение.
4. Химическая связка
Электромагнитная сила играет ключевую роль в образовании химической связи между двумя или более элементами.Обычно химические соединения образуются за счет ионной связи, металлической связи или ковалентной связи. Электромагнитная сила действует как связующая сила, которая удерживает атомы различных элементов на месте.
5. Молекулы
Электромагнитная сила играет очень важную роль в установлении межмолекулярной силы между двумя атомами.
Эта сила отвечает за то, чтобы связать два атома вместе. Следовательно, в отсутствие электромагнитной силы молекулы не смогут приобрести стабильное состояние.
6. Кран
Промышленное применение электромагнитной силы можно ясно увидеть в кранах, которые используются для сбора металлических предметов. Электромагнитный кран состоит из большого металлического диска, обмотанного проволокой. Ток подается через этот провод с внешней обмоткой, который соответственно намагничивает или размагничивает металлическую головку. Это магнитное поле, возникающее из-за протекания тока по проводнику, можно затем использовать для притяжения и захвата тяжелых металлических предметов.
7. Порошковое покрытие
Порошковое покрытие использует напыление слоя заряженных частиц на основную подложку. Разница в зарядах, которыми обладают основное покрытие и вторичное покрытие, устанавливает взаимодействие или электромагнитную силу.
Частицы порошка притягиваются к противоположно заряженным частицам. Это помогает увеличить срок службы краски, нанесенной на предметы. Преимущество электростатического порошкового покрытия заключается в том, что при этом не используются какие-либо растворители.
8. Двери
Электромагнитные двери наиболее популярны в местах, где требуется высокий уровень безопасности. Кусок кондуктора крепится к краю проема двери. Далее он подключается к электрической цепи через токопроводящий провод. Ток проходит через провод, который отвечает за намагничивание и размагничивание проводника соответственно. При намагничивании кусочки проводника помогают закрыть дверь с большой силой.Дверь открывается только тогда, когда части проводника теряют магнитную энергию. Намагниченностью можно легко управлять, подключив переключатель к цепи подачи тока. Следовательно, это позволяет ответственному за безопасность лицу контролировать людей, входящих в помещение.
Введение в электромагнитную силу
Источник
Это третий пост в нашей серии о Четырех Фундаментальных Силах во Вселенной.
Если этот пост — первый, который вы читаете до сих пор, посмотрите и эти два:
.
В этом посте мы собираемся исследовать электромагнитную силу и понять, почему она важна для всего, что нас окружает.Мы разделим его на две части: Электростатическая сила и Магнитная сила . Наслаждаться!
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила — это сила, которая возникает между электрически заряженными частицами, такими как электроны, и описывается в электростатике как положительная или отрицательная. Объекты с противоположными зарядами создают между собой силу притяжения, а объекты с одинаковым зарядом создают силу отталкивания. Следовательно, мы имеем, что чем больше заряд, тем больше сила и тем больше расстояние между заряженными объектами [Источник].
Этот закон был разработан физиком Чарльзом Кулоном, который вы, возможно, помните из Закона Кулона .
K e — постоянная Кулона, q 1 и q 2 — величины зарядов, а r — расстояние между зарядами [Источник].
Закон Кулона определяет величину силы между двумя стационарными (электрически) заряженными частицами. Электрическая сила между этими двумя частицами известна как электростатическая сила .Это притяжение описывает, как протоны (положительно заряженные) в ядре и не дают вращающимся электронам (отрицательно заряженным) покинуть атом. Другими словами, это то, что удерживает атом вместе. Есть особая частица, передающая эту силу – фотон . Если вы немного не уверены в том, что такое фотон, ознакомьтесь с предыдущими сообщениями в блоге, которые мы написали на эту тему [1, 2, 3].
Электростатическая сила
Электростатическая сила, как следует из названия, представляет собой силу, при которой заряды стационарны (или покоятся).Более техническое объяснение состоит в том, что сила, действующая от одного заряженного тела на другое (заряженное или незаряженное), является электростатической силой (Источником). Ее называют статической силой, потому что она может накапливать заряд в объекте, тем самым создавая много потенциальной энергии, готовой перемещаться из одного места в другое.
Просто подумайте о воздушном шарике, которым вы трете свой шерстяной свитер. Здесь поверхностные электроны с шерстяного свитера перепрыгивают на резиновый шарик. Если бы вы попробовали это дома, вы бы увидели, что воздушный шар через некоторое время прилипнет к вашему свитеру из-за силы притяжения между ними — электростатической силы.
Но это выходит за рамки шаров. Электростатическая сила накапливается в дождевых облаках, когда они трутся друг о друга, и этот избыточный отрицательный заряд ищет протоны, чтобы нейтрализовать их. О чем мы говорим? Молния !
Источник
Итак, это поток электронов, пытающихся найти положительное место для посадки, и когда электроны текут, они создают магнитное поле.
Магнитная сила
Проще говоря, магнитная сила является причиной того, что магнит работает так, как он работает.Хотя важно знать, что хотя мы смотрим на электростатическую силу, накопление заряда и магнитную силу, магнитное поле, на самом деле это одна и та же сила — электромагнитная сила.
Как мы помним, электромагнетизм действует на объекты с зарядом, создавая вокруг них электростатическое поле, которое может быть как положительным, так и отрицательным, а магнитное поле имеет как положительный, так и отрицательный полюс. Магнитные полюса работают так же, как заряженные частицы в том, что противоположные полюса притягиваются, а одинаковые полюса отталкивают друг друга.Магнитная сила, конечно же, передается между объектами фотонами, поскольку это одна и та же сила. Чтобы понять, почему электростатическая и магнитная силы на самом деле представляют собой одно и то же, давайте рассмотрим пример. Если у вас есть катушка с проволокой вокруг металла, то при прохождении тока по проволоке создается магнитное поле, как мы видим на гифке ниже.
Источник
А как бы это было наоборот? Могли бы вы генерировать электрический ток, используя изменяющуюся модель магнетизма? Абсолютно! Если вы используете ту же самую катушку и поместите ее в магнитное поле, а затем повернете провод (или магнит), электричество будет течь по проводу.
Это основная причина, по которой сегодня у нас есть электричество, и оно вырабатывается таким образом из таких источников, как ветер, уголь, атомная энергия, гидроэнергетика и другие. Наиболее распространенным неэлектромагнитным источником энергии является солнечная энергия, но это совсем другая история.
Заключительные слова
Итак, вот она, главная причина, по которой у нас есть электричество, и важная составляющая того, почему атом держится вместе. Следите за нашей следующей и последней фундаментальной силой — гравитацией. А пока посмотрите эту серию на YouTube, которая послужила источником вдохновения для этой серии.Зайдите в ближайшее время!
Электромагнитная сила — обзор
Типы переноса капель
При сварке плавящимся электродом, например сварке MIG/MAG, дуга выполняет две основные функции. Одним из них является вышеупомянутая подача тепла для плавления материалов, а другим является транспортировка расплавленного материала проволоки вниз в сварочную ванну.
Транспортировка материалов является результатом сложного взаимодействия различных сил. Типы переноса капель показаны на рисунке 4.8. Поведение капель в основном зависит от настроек тока и напряжения, а также от состава защитного газа. Кроме того, существует множество других параметров, в большей или меньшей степени влияющих на передачу. Наиболее чувствительным процессом является сварка с переносом материала коротким замыканием, например, сварка короткой дугой. В этом случае динамическое взаимодействие с источником питания чрезвычайно важно для определения сварочных свойств.
При низком сварочном токе электромагнитными силами можно пренебречь.На расплавленную каплю на конце электрода действует в основном сила тяжести и поверхностное натяжение, которое уравновешивает направленную вниз силу тяжести, пока капля остается на кончике электрода. По мере того, как электрод продолжает плавиться, к капле добавляется больше материала, и поэтому она увеличивается в размере. Теперь в зависимости от длины дуги могут произойти две вещи.
Если дуга длинная, капля будет продолжать расти до тех пор, пока ее вес не превысит силу поверхностного натяжения, после чего она падает. Это называется глобулярным переносом капель: см. рис. 4.8 а.
С другой стороны, если длина дуги короткая, процесс известен как сварка короткой дугой (см. Рисунок 4.8 f). Капля вступает в контакт со сварочной ванной задолго до того, как она станет достаточно большой, чтобы упасть под собственным весом. Результирующая линия короткого замыкания прерывается при переносе капли. Окончательному отрыву способствуют магнитные силы, когда плотность тока в шейке капли увеличивается: это известно как пинч-эффект. Плотность тока увеличивается по мере образования перетяжки в короткозамыкающем звене расплавленного металла между электродом и сварочной ванной, а также в результате увеличения тока от источника питания при прерывании дуги коротким замыканием.При правильной настройке всех параметров частота коротких замыканий будет высокой и стабильной в диапазоне 50–200 Гц.
Когда мы увеличим ток до более высокого значения, электромагнитные силы будут преобладать над гравитацией. Опять же, это два разных случая. Если площадь анода на нижней стороне капли мала по сравнению с площадью поперечного сечения проволоки, силы, действующие на каплю, будут действовать вверх и будут достаточно велики, чтобы противодействовать гравитации. Капля будет продолжать расти и станет большой.Из-за своей неустойчивости он будет стремиться раскачиваться в сторону и, когда его окончательно оторвут, получит толчок от электромагнитных сил и полетит вращательным движением по диагонали вниз к заготовке (см. рис. 4.8 б) . Это называется переносом с отталкиванием и обычно является проблемой при сварке в среде СО 2 в защитной среде. Одним из способов уменьшения этой неприемлемой формы переноса капель является снижение напряжения и переход на сварку короткой дугой. Однако при сварке короткой дугой на больших токах образуется значительное количество брызг, особенно если в качестве защитного газа используется CO 2 .
Рисунок 4.9. Диаметр капель в зависимости от сварочного тока.
Если, с другой стороны, мы используем защитный газ с высоким содержанием аргона и увеличим ток до порогового значения для мелких капель, мы создадим струйную дугу. В этом процессе магнитные силы действуют вниз (рис. 4.6) и способствуют отрыву капли. Плазменные потоки способствуют переносу капель и ускоряют их движение к заготовке. При токах среднего диапазона размер капель примерно равен диаметру провода (Рисунок 4.8 в). При сварке стальной проволоки выше порогового значения расплавленный металл часто вытягивается вдоль конического кончика проволоки с образованием очень мелких капель (см. Рисунок 4.8 d).
При очень высоком сварочном токе и большом вылете проволоки проволока нагревается настолько, что почти расплавляется до того, как нагреется дугой. В результате получается нестабильный конец проволоки, а расплавленный металл отгибается в сторону и начинает вращаться. Этот тип вращающейся дуги (рис. 4.
8 e) изначально считался непригодным для сварки, но в настоящее время иногда используется при механизированной сварке массивных соединений и известен как TIME или быстрая сварка расплавом.
Силы без контакта
Эта фокусная идея исследуется через:
Противопоставление студенческих и научных взглядов
Студенческий повседневный опыт
Гравитация, а также электростатическое и магнитное притяжение и отталкивание представляют собой реальные примеры сил, воздействующих на один объект на другой без их контакта друг с другом. Многие дети знают о магнетизме и играли с магнитами на холодильник. Возможно, они также играли, собирая небольшие кусочки бумаги или другие предметы с помощью гребня, заряженного трением о рукав джемпера или выдергиванием волос.Они также будут знать, что предметы падают на Землю. Однако вряд ли они думают об этом опыте как о силе, т. е. о толчках и притяжениях.
Студенты часто думают, что все металлы притягиваются магнитами и что размер магнитов определяет их силу.
Исследование: Fleer, Jane & Hardy (2007)
В повседневной жизни распространено мнение, восходящее к древним временам, что предметы падают на Землю, потому что это «естественно».Некоторые учащиеся могут использовать слово «гравитация» в ненаучном смысле, т. е. не осознавая, что гравитация связана с объектами, испытывающими силу, которая притягивает их к центру Земли.
Представления учащихся о гравитации часто связаны с их представлениями о форме Земли и о направлении «вниз». Может показаться, что учащиеся считают Землю сферой, но тем не менее считают, например, что люди живут на плоской поверхности либо на вершине сферы, либо внутри нее.
Исследование: Nussbaum (1985)
Эта идея также исследуется в фокусной идее
День и ночь.
Некоторые ученики думают, что гравитация действует только на тяжелые объекты. Они не связывают вес с гравитацией.
Эта идея также исследуется в основной идее
Сила тяжести.
Научный взгляд
Ученые используют понятие «поле», чтобы объяснить, как один объект может воздействовать на другой, не касаясь его, даже без промежуточного вещества.
Вот три примера таких полей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни:
- Магнит окружен магнитным полем, которое толкает или притягивает другие магниты и предметы из железа, никеля или кобальта, находящиеся внутри него.(Поскольку ее внутренняя часть действует как магнит, Земля окружена магнитным полем, которое воздействует на предметы, сделанные из магнитного материала, такие как компасы).
- Заряженный объект окружен электрическим полем, которое воздействует электрическими силами на другие объекты в этом поле.
- Земля окружена гравитационным полем, которое притягивает все другие объекты к своему центру.
В отличие от двух других полей, которые могут включать как притяжение, так и отталкивание, гравитация действует только за счет притяжения.Все объекты притягиваются друг к другу под действием гравитации, но это притяжение слишком слабое, чтобы его можно было заметить, если только один объект не содержит огромное количество материи (вещества).
Критические обучающие идеи
- На некоторые объекты действуют силы от вещей, которые их не касаются.
- Магниты можно использовать для того, чтобы другие магниты и предметы из железа двигались без прикосновения.
- То, что заряжено электричеством, может заставить другие предметы двигаться, не касаясь их.
- Предметы, находящиеся вблизи Земли, падают на Землю, если их что-то не удерживает.Земля притягивает любой объект к центру Земли, не касаясь его
Исследуйте отношения между представлениями о бесконтактных силах в
Карты разработки концепций – Гравитация
Учащихся следует поощрять к изучению эффектов магнитных и электрических сил. Основная идея, которую следует передать здесь, заключается в том, что силы могут действовать на расстоянии без какой-либо воспринимаемой субстанции между ними.
В ходе своих исследований учащиеся могут показать, что магниты не воздействуют на все металлы, но могут толкать или тянуть другие магниты и предметы из железа (и стали).
Часть их исследований должна включать компасы, которые представляют собой магниты, на которые воздействуют магнитные силы изнутри Земли, и магниты разных размеров.
Учащиеся также должны изучить, какие типы материалов могут заряжаться при трении и на какие типы материалов воздействуют заряженные предметы.
Многим ученикам трудно представить, что Земля притягивает объекты. Исследования показывают, что полезно уделить некоторое время тому, чтобы помочь учащимся понять, что Земля представляет собой сферу и что объекты, падающие «вниз», падают «к центру Земли».
«Гравитация» не
вещь но описание типа взаимодействия между объектами. Ссылка на притяжение Земли как на «силу гравитации» Земли, а не просто на «гравитацию», помогает учащимся понять, что сила исходит от Земли, а не является чем-то, что называется «гравитацией».
Исследование: Gunstone, Mulhall & McKittrick (2007)
Полезная аналогия для объяснения силы земного притяжения состоит в том, что Земля может притягивать объекты, не касаясь их, точно так же, как магнит может воздействовать на другие объекты, не касаясь их.
Преподавательская деятельность
Учащиеся должны провести исследования, чтобы изучить идею о том, что объекты могут подвергаться воздействию сил от вещей, которые их не касаются.
Предлагает открытую проблему для исследования в игровой форме
Студенты могут исследовать воздействие магнитов и заряженных объектов на различные виды объектов. Они могут наблюдать различное влияние северного и южного полюсов магнита на полюса других магнитов и исследовать, влияет ли размер магнита на магнитную силу.
Сосредоточьте внимание учащихся на упущенной из виду детали
Учащиеся часто имеют опыт работы с магнитами и заряженными объектами, а также множество опытов, связанных с гравитацией, но, как правило, не связывают этот опыт с действующими силами. Им нужно наблюдать за изменениями в движении вещей, вызванными магнитами и заряженными предметами, такими как пластиковые ручки, и исследовать воздействие магнитов.
Выявление существующих представлений учащихся
Анкета об представлениях учащихся о Земле и гравитации может выявить диапазон взглядов в классе.
Это может быть полезным способом поощрения дискуссий и дебатов, а также помогает формировать дальнейшее обучение.
Способствовать размышлению над существующими идеями
Обсуждение сил, действующих на неподвижную книгу, стоящую на столе, может привести к пониманию того, что поддерживающая сила стола на книгу уравновешивается силой, идущей вниз от Земли. Рассматривая ту же книгу, когда она падает с края стола, обсуждение теперь может сосредоточиться на силе гравитации Земли, притягивающей книгу вниз.Смотрите идею фокуса:
Силы на неподвижные объекты.
Выявление существующих идей учащихся
Попробуйте использовать вопросы, подобные приведенным ниже, чтобы проверить альтернативные концепции ваших учеников.
| Выявление существующих идей учащихся | |
|---|---|
Вопрос первый. Почему Земля плоская на первом рисунке и круглая на втором? а) Это разные Земли | |
Второй вопрос. Представьте, что Земля сделана из стекла, и вы можете смотреть сквозь него. В какую сторону по прямой линии вы бы посмотрели, чтобы увидеть людей в далеких странах, таких как Китай или Индия? | |
Вопрос третий. На этом рисунке изображены сильно увеличенные люди, бросающие камни в разных местах на поверхности Земли. Покажите, что происходит с каждым камнем, нарисовав линию, показывающую полный путь камня, от руки человека до места, где он наконец остановится. | |
Вопрос четвертый. Представьте, что через всю Землю прорыт туннель от Северного полюса до Южного полюса. Представьте, что человек держит камень над отверстием на Северном полюсе и роняет его. Нарисуйте линию, показывающую весь путь скалы. |
Исследования: Снейдер и Охади (1998)
Электромагнитное взаимодействие — Электромагнитная сила | Определение
Электромагнитная сила — это сила, ответственная за все электромагнитные процессы. Он действует между электрически заряженными частицами. Это бесконечно действующая сила, намного сильнее гравитационной силы , подчиняющаяся закону обратных квадратов, но ни электричество, ни магнетизм не складываются так, как гравитационная сила.
Поскольку существуют положительные и отрицательные заряды (полюса), эти заряды имеют тенденцию компенсировать друг друга. Электромагнетизм включает в себя электростатическую силу, действующую между заряженными частицами в состоянии покоя, и комбинированный эффект электрических и магнитных сил, действующих между заряженными частицами, движущимися друг относительно друга.
Фотон, квант электромагнитного излучения , элементарная частица, являющаяся носителем электромагнитной силы. Фотоны — это калибровочные бозоны , не имеющие ни электрического заряда, ни массы покоя и одну единицу спина. Общим для всех фотонов является скорость света , универсальная физическая константа.
В пустом пространстве фотон движется со скоростью c ( скорость света – 299 792 458 метров в секунду ).
Силы между статическими электрически заряженными частицами подчиняются закону Кулона . Закон Кулона можно использовать для расчета силы между заряженными частицами (например, двумя протонами). Электростатическая сила прямо пропорциональна электрическим зарядам двух частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Закон Кулона формулируется в виде следующего уравнения.
И закон Кулона, и закон магнитной силы суммируются в законе силы Лоренца. По сути, и магнитные, и электрические силы являются проявлениями обменной силы, включающей обмен фотонами.
Электромагнитная сила играет важную роль в определении внутренних свойств большинства объектов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Химические свойства атомов и молекул определяются количеством протонов, фактически количеством и расположением электронов.
Конфигурация этих электронов следует из принципов квантовой механики. Количество электронов в электронных оболочках каждого элемента, особенно в самой внешней валентной оболочке, является основным фактором, определяющим поведение его химической связи.В периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера Z. На самом деле силы электрического притяжения и отталкивания электрических зарядов настолько преобладают над тремя другими фундаментальными силами, что ими можно пренебречь как определяющими факторами. атомарное и молекулярное строение.
Хотя электромагнитное взаимодействие считается одним из четырех фундаментальных взаимодействий, при высокой энергии слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие объединяются в единое электрослабое взаимодействие .Энергия объединения порядка 100 ГэВ. При низких энергиях электромагнитное и слабое взаимодействие оказываются очень разными. Электрослабая теория очень важна для современной космологии.
В истории Вселенной в кварковую эпоху (вскоре после Большого Взрыва) объединенная сила распалась на две отдельные силы, когда Вселенная остыла.
За вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.
Пример: электромагнитная сила
Примечательно, что в четырех литрах воды содержится примерно 2,1 x 10 8 Кл полного заряда электронов. Таким образом, если мы поместим две бутылки на расстоянии метра друг от друга, электроны в одной из бутылок отталкивают электроны в другой с силой 4,1 х 10 26 Н. Эта огромная сила сравнима с силой, с которой весила бы планета Земля. если взвесить на другой Земле. Но, как было написано, есть и положительные (протоны) и эти заряды имеют свойство компенсировать друг друга.
Ссылки:
Ядерная и реакторная физика:
- Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд. , Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
- Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
- WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
- Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
- Вт.СК Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
- Г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
- Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
- Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.
- Пол Ройсс, нейтронная физика. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Усовершенствованная физика реактора:
- К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статистику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
- К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
- Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
- Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статистику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.См. выше:
Фундаментальные взаимодействия
Сравнение электромагнитной силы и гравитационной силы
Электромагнитное взаимодействие – электромагнитная сила
Электромагнитная сила – это сила, ответственная за все электромагнитные процессы. Он действует между электрически заряженными частицами. Это бесконечно действующая сила, намного более сильная, чем сила гравитации , подчиняющаяся закону обратных квадратов, но ни электричество, ни магнетизм не складываются так, как сила гравитации.
Поскольку существуют положительные и отрицательные заряды (полюса), эти заряды имеют тенденцию компенсировать друг друга. Электромагнетизм включает в себя электростатическую силу, действующую между заряженными частицами в состоянии покоя, и комбинированный эффект электрических и магнитных сил, действующих между заряженными частицами, движущимися друг относительно друга.
Фотон, квант электромагнитного излучения , элементарная частица, являющаяся переносчиком электромагнитной силы. Фотоны — это калибровочные бозоны , не имеющие электрического заряда или массы покоя и имеющие одну единицу вращения.Общим для всех фотонов является скорость света , универсальная физическая константа. В пустом пространстве фотон движется со скоростью c ( скорость света – 299 792 458 метров в секунду ).
Силы между статическими электрически заряженными частицами подчиняются закону Кулона . Закон Кулона можно использовать для расчета силы между заряженными частицами (например, двумя протонами).
