Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Erőtér

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

Erőtér a fizikában valamely test által keltett kölcsönhatás, amely a téridőben meghatározható helyeken a más testekre ható erők nagyságát kifejezi.

Az erőterek legfontosabb jellemzői: a nívófelület és az erőtér vektor. Nívófelületnek nevezzük azon helyek összességét, ahol a helyzeti energia (potenciális energia) azonos nagyságú. Egyszerű esetben ez lehet sík, vagy gömbfelület. Képzeletbeli, kiterjedés nélküli tömegtől bármely távolságra találunk olyan gömbfelületet, amely mentén az erőtér nagysága azonos. A legismertebb nívófelület a nyugvó folyadék felszíne, amelyet szintfelületnek is szokás nevezni.

Az erőtereket általánosan az érintkezésmentes erők nagyságából határozzuk meg. Az így értelmezett fizikai mennyiségeket viszont használjuk az érintkezéssel ható erők leírására is.

A nívófelületet döfő normálvektor iránya határozza meg az erőtér vektor irányát. Ez tehát a felületre merőleges irány. Ebben az irányban legnagyobb a potenciális energia változása, emiatt a nagyságát a hely szerinti derivált (a gradiens) határozza meg. Ha az erőtér gömbszimmetrikus, akkor az erőtér vektorok sugárirányban, a tér középpontja irányába mutatnak. Tekintettel arra, hogy csak a térerő ellenében végzett munka lehet pozitív, a jelenséget leíró egyenletekben mindig a negatív gradiens értéke szerepel.

Az erőtér vonala nem feltétlenül egyenes. Az elektromos tér erővonalai például ívelt vonalak, amelyek a pozitív töltéstől a negatív töltés irányába vezetnek.

Az erőtereket konzervatív erőkre szokás értelmezni. Konzervatív erőtérben a végzett munka független a test által bejárt útvonaltól; csakis a potenciális energia megváltozásától függ.

Az erőtér fogalmát általánosíthatjuk. Eszerint erőtér jellegű bármely extenzív mennyiség egységnyi nagyságára ható erő. Ilyen lehet a tömeg, az elektromos töltés, a térfogat (hidrosztatika), a hőmennyiség, az anyagmennyiség (diffúzió).

Kapcsolódó fogalmak

A test, amelyre az erőtér hat: a fizika szempontjából extenzív mennyiség, a matematika szempontjából forrás. Az elektromos erőtér például forrásos, a Maxwell-egyenletek értelmében. Forrásos térben az erővonalak a forrásból indulnak ki és a negatív forrásban végződnek.

A test időbeli mozgását leíró fizikai mennyiség áram, vagy áramsűrűség-jellegű. A test időbeli mozgása a forráserősség.

A test mérete skaláris mennyiség, a térerő viszont vektor. A testekre ható erő irányát a térerő vektor lokális iránya határozza meg, általánosan: az erővonalak iránya. Gömb alakú forrásos erőtérben ez a forrástól a testig húzott sugár iránya (irányvektor), emiatt szokás ezt r betűvel jelölni.

A test helyzetének megváltozását grádiens írja le

A test térbeli helyzetének megváltoztatása csak munkavégzés útján lehetséges. Ennek eredménye a potenciális energia. Az egységnyi méretű test potenciális energiája a potenciál. A potenciális energia negatív grádiense az erő.

A potenciál negatív grádiense a térerő. A potenciál értékét valamely meghatározott helytől számított potenciálkülönbséggel adjuk meg. Például homogén tömegből álló gömb gravitációs terét a felszínétől kezdve számítjuk, amely maximumát a végtelenben éri el.

Szabaderő és kényszererő

Ez a szemléletmód lehetővé teszi a súlyos tömeg és a tehetetlen tömeg ellentmondásának jobb megértését.

Ha az erőtérben a test mozgását kényszerfeltétel akadályozza, helyzete nem változik, és statikus erő hat rá: kényszererő. Ilyen például a föld felszínére helyezett tárgyra ható súlyerő.

Ha kényszerfeltétel nincs, a test szabad mozgást végez az erőtérben; mozgásállapota megváltozik, például gyorsul. Ebben az esetben tehát ugyanaz az erőtér szabaderő formában jelentkezik.

A gravitációs erőtérhez hasonlóan az elektrosztatikus térben is elmondhatjuk: vagy helyben maradnak a töltések, és a Coulomb-erők hatnak rájuk, vagy gyorsuló mozgást végeznek (mint a katódsugárcsőben az elektronok).

A hidrodinamikában ugyanez a jelenség az alábbiakban szerepel (lásd: erősűrűség, illetve kompressziós potenciál).

Gravitációs erőtér

Gravitációs erőtérben az erő a tömegegységre ható erő

 

A Föld környezetének erőtere. Középen a Nap, jobboldalt a Föld.

Az ábrán a szintvonalak a gömbfelületet közelítik a Nap körül, a Földtől elegendően nagy távolságban, másrészt a Földhöz elegendő közelségben, ahol viszont a Nap hatása kevésbé érvényesül. Az ábrán az L betűk a Lagrange-féle librációs pontokat jelzik.

Elektromos mező - Mágneses mező -

 

 

         Elektromos erőtér

 

 

         Mágneses erőtér

         Egyéb erőterek

                  Kémiai erőtér

                  Hidrodinamika

                  Fénytér

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

-------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Er%C5%91t%C3%A9r