Введение
Визуальная помощь для изображения векторного поля современное использование "линий поля" как способа изображения электромагнитных и других векторных полей Линия поля - это графическое визуальное средство для визуализации векторных полей. Она состоит из воображаемой интегральной кривой, которая касается вектора поля в каждой точке по его длине. Диаграмма, показывающая репрезентативный набор соседних линий поля, является общим способом изображения векторного поля в научной и математической литературе; это называется диаграммой линий поля. Они используются для показа электрических полей, магнитных полей и гравитационных полей среди многих других типов. В механике жидкостей линии поля, показывающие поле скорости потока жидкости, называются потоковыми линиями.
the modern use of "field lines" as a way to depict electromagnetic and other vector fields
A field line is a graphical visual aid for visualizing vector fields. It consists of an imaginary integral curve which is tangent to the field vector at each point along its length. A diagram showing a representative set of neighboring field lines is a common way of depicting a vector field in scientific and mathematical literature; this is called a field line diagram. They are used to show electric fields, magnetic fields, and gravitational fields among many other types. In fluid mechanics, field lines showing the velocity field of a fluid flow are called streamlines.
Определение и описание
Векторное поле определяет направление и величину в каждой точке пространства. Линия поля является интегральной кривой для этого векторного поля и может быть построена, начиная с точки и проходящей по пространству линией, которая следует по направлению векторного поля, делая линию поля касательной к вектору поля в каждой точке. В физике чертежи линий поля полезны в основном в тех случаях, когда источники и осадки, если таковые имеются, имеют физическое значение, в отличие от, например, случая силового поля радиальной гармоники. Например, закон Гаусса гласит, что электрическое поле имеет источники с положительными зарядами, погружается с отрицательными зарядами, и нигде больше, поэтому линии электрического поля начинаются с положительных зарядов и заканчиваются с отрицательными зарядами. У гравитационного поля нет источников, у него есть осадки при массах, и у него нет нигде больше, линии гравитационного поля приходят из бесконечности и заканчиваются при массах. Магнитное поле не имеет источников или осадков (закон Гаусса о магнетизме), поэтому его линии поля не имеют начала или конца: они могут образовывать только замкнутые петли, простираться до бесконечности в обоих направлениях или продолжаться бесконечно, никогда не пересекаясь. Однако, как указано выше, может возникнуть особая ситуация вокруг точек, где поле равно нулю (которые не могут пересекаться линиями поля, потому что их направление не будет определено), и одновременное начало и конец линий поля происходит. Эта ситуация происходит, например, в середине между двумя идентичными положительными точечными электрическими зарядами. Там поле исчезает, и линии, идущие по оси от зарядов, заканчиваются. В то же время, в поперечной плоскости, проходящей через среднюю точку, бесконечное количество линий поля расходятся радиально. Одновременное присутствие линий, которые заканчиваются и начинаются, сохраняет свободный от расхождений характер поля в точке.
Строительство
При наличии векторного поля и начальной точки можно итеративно построить линию поля, найдя вектор поля в этой точке. Единомерный тангентный вектор в этой точке: перемещаясь на короткое расстояние вдоль направления поля, можно найти новую точку на линии. Затем поле в этой точке находится и перемещаясь на дальнейшее расстояние в этом направлении, находит следующую точку линии поля. В каждой точке можно найти следующую точку, повторяя это и соединяя точки, линия поля может быть расширена до желаемого расстояния. Это только приближение к фактической линии поля, так как каждый прямой сегмент на самом деле не касается поля вдоль своей длины, а только в начальной точке. Но используя достаточно маленькое значение для , делая большее количество коротких шагов, линию поля можно приблизить настолько близко, насколько это желательно. Линия поля может быть расширена в противоположном направлении , делая каждый шаг в противоположном направлении , используя отрицательный шаг .
Then the field at that point is found and moving a further distance in that direction the next point of the field line is found. At each point the next point can be found by
By repeating this and connecting the points, the field line can be extended as far as desired. This is only an approximation to the actual field line, since each straight segment isn't actually tangent to the field along its length, just at its starting point. But by using a small enough value for , taking a greater number of shorter steps, the field line can be approximated as closely as desired. The field line can be extended in the opposite direction from by taking each step in the opposite direction by using a negative step .
Примеры
Если векторное поле описывает скоростное поле, то линии поля следуют за линиями потока в потоке. Возможно, самым известным примером векторного поля, описанного линиями поля, является магнитное поле, которое часто изображается с использованием линий поля, исходящих от магнита.
Физическое значение
Хотя линии поля являются "просто" математической конструкцией, в некоторых обстоятельствах они приобретают физическое значение. В механике жидкостей линии скоростного поля (линии потока) в устойчивом потоке представляют собой пути частиц жидкости. В контексте физики плазмы электроны или ионы, которые находятся на одной линии поля, сильно взаимодействуют, в то время как частицы на разных линиях поля, как правило, не взаимодействуют. Это то же самое поведение, которое проявляют частицы железных отходов в магнитном поле. Железные отломки на фото выровняются с дискретными линиями поля, но ситуация более сложная. Это легко визуализировать как двухэтапный процесс: во-первых, пленки равномерно распределены по магнитному полю, но все выровнены в направлении поля. Затем, исходя из масштаба и ферромагнитных свойств плит, они увлажняют поле с обеих сторон, создавая видимые пространства между линиями, которые мы видим. Конечно, два этапа, описанные здесь, происходят одновременно, пока не достигнуто равновесие. Поскольку внутренний магнетизм филингов изменяет поле, линии, показанные филингами, являются только приближением линий поля исходного магнитного поля. Магнитные поля непрерывны и не имеют дискретных линий.