Notiunea de camp

Notiunea de camp

In studiul fenomenelor fizice se utilizeaza frecvent termenul "camp"; astfel apar adesea exprimari de felul: "camp scalar", "camp vectorial", "camp gravific", "campul gradientilor de temperatura", "camp electromagnetic", "intensitatea campului electrostatic", "intensitatea campului magnetic", "campul de inductie magnetica " (si lista aceasta poate fi inca mult continuata). Termenul de "camp" este in Fizica o notiune plurisemantica, deoarece el poate desemna mai multe situatii si anume:

i) indica un sistem fizic si manifestarile (fenomenele) de o anumita natura care exista in mod natural. De aceea se spune: camp electromagnetic, camp electric, camp magnetic, camp termic, camp gravific etc. Aceasta este, deci, o semnificatie fenomenologica a notiunii de camp;

ii) desemneaza o regiune din spatiu (un domeniu), notat cu Ω si format din multimea punctelor P in care se manifesta anumite proprietati functionale F: Ω = . Frontiera domeniului Ω se noteaza cu S si se scrie S = Fr Ω, iar domeniul Ω marginit de S se noteaza cu Ω ∪ S . Spunandu-se campul , i se da acestei notiuni un inteles topologic si / sau fizic;

iii) indica o multime de valori ale unei marimi fizice ca functie de punct: F(P) in P. Astfel se zice: camp scalar, camp de temperaturi, camp de vectori, campul de gradienti ai temperaturii, campul de viteze ale unui fluid, campul de forte etc., in acest caz notiunea de camp avand o semnificatie matematica;

iu) indica o anumita marime de stare a unui sistem ca, de pilda, campul electric in loc de "intensitatea campului electric", campul magnetic in loc de "intensitatea campului magnetic" (sau chiar de "inductie magnetica") etc., ceea ce reprezinta o exprimare prescurtata.

In acceptiunea i), campul electromagnetic are urmatoarea definitie: campul electromagnetic este un sistem fizic de corpuri si vid in care se manifesta actiuni ponderomotoare specifice (forte si momente) asupra corpurilor, precum si anumite efecte in corpuri (termice, chimice si fiziologice) sau luminoase, avand energie si impuls pe care le poate transmite corpurilor, de a caror substanta se deosebeste (macroscopic) prin faptul ca nu-i este caracteristica starea de miscare mecanica.

Campul electromagnetic este un camp unitar, dar care prezinta doua componente ce pot fi evidentiate numai in cazuri particulare:

- campul electric, care este campul electromagnetic considerat numai din punctul de vedere al proprietatilor sale electrice si

- campul magnetic, care este campul electromagnetic considerat numai din punctul de vedere al proprietatilor sale magnetice.

Deosebirile dintre aceste doua componente (ca aspecte ale campului electromagnetic unitar) au totusi un caracter relativ, ceea ce nu permite considerarea lor distincta decat precizand sistemul de referinta la care se raporteaza campul si fata de care se definesc marimile electrice si magnetice. Bazandu-ne pe cunostintele de la Fizica, se poate explica, inca de la inceputul acestui manual, un caz -ca exemplu- in care este posibila evidentierea separata a celor doua componente ale campului electromagnetic. Astfel, daca un "mic" corp electrizat cu sarcina electrica q se deplaseaza cu viteza , intr-un sistem de referinta imobil S, se obtine un curent electric care produce un camp magnetic si -ca urmare- in sistemul de referinta S apar ambele componente ale campului: electrica si magnetica.

Daca observatorul fenomenelor se plaseaza intr-un sistem de referinta mobil S', care se deplaseaza pe directia de miscare a corpului electrizat cu aceeasi viteza (fata de sistemul initial, imobil S) ca si corpul, atunci in sistemul S' curentul electric este nul si -ca urmare- in acest sistem S' (in care corpul electrizat este imobil) apare numai aspectul de camp electric (dupa cum se va vedea mai tarziu, un corp electrizat in repaus nu produce decat camp electric).

In teoria macroscopica asa-zisa clasica (a lui Maxwell si Hertz), la care ne referim in acest capitol, marimile electrice si magnetice se definesc intotdeauna intr-un sistem de referinta imobil fata de corpurile din camp; de aceea caracterul relativ ale componentelor electrice si magnetice ale campului electromagnetic nu apare in mod explicit. Totusi, intre campul electric si campul magnetic exista o interdependenta, ele constituind laturi ale aceleiasi unitati: campul electromagnetic; de fapt, experienta arata ca exista un "efect electric al campului magnetic" si un "efect magnetic al campului electric" (v. subcap. 1.3). Tot in teoria macroscopica a campului electromagnetic se considera ca in domeniul analizat W exista diverse corpuri W₁ W₂, ., compacte, formate din diferite substante, delimitate de suprafete de separatie Σ₁, Σ₂,.( Σ₁=FrW₁, Σ₂=Fr W₂,.) intre care exista -in C( .) in W - un spatiu "foarte rarefiat" numit vid. In legatura cu aceste aspecte se fac urmatoarele precizari:

- marimile electrice si magnetice depind de natura substantei corpurilor si de constitutia ei. De aceea, pentru caracterizarea starii campului electromagnetic in functie de natura substantei se introduc asa-numitele marimi electrice si magnetice de material (v.§ 1.2.3);

- constitutia (structura) materiala (substantiala) a  corpurilor este caracterizata de:

omogenitatea corpului. Despre un corp W_o sau materialul din care este realizat

corpul se spune ca este omogen daca marimile sale de material (proprietatile ce caracterizeaza materialul) x_m sunt aceleasi in orice punct P al corpului ().  Mai general, omogenitatea este proprietatea unui sistem fizicochimic de a avea o aceeasi valoare a unei marimi fizicochimice specifice in domenii situate oriunde in interiorul acelui sistem (un sistem poate fi omogen si la scara microscopica, , definitia anterioara fiind data la scara macroscopica). Despre un corp care nu are aceasta proprietate se spune ca este neomogen sau eterogen;

izotropia corpului. Un corp W_i, sau un sistem fizic, este izotrop, in raport cu o anumita marime (proprietate) de material, daca valoarea scalara locala (dintr-un punct P) a acelei marimi nu variaza cu directia plecand din orice loc al domeniului ( PIW_i). In caz contrar, se spune despre corp ca este anizotrop sau eolotrop. Despre un corp sau un material se spune ca este anizotrop daca el are una sau mai multe marimi de material locale a caror valoare scalara variaza cu directia. Un corp poate prezenta izotropie in raport cu o anumita marime si poate fi anizotrop in raport cu alte marimi. Exemple de corpuri care prezinta izotropie in raport numai cu unele marimi sunt monocristalele din sistemul cubic (ce are izotropie optica, dar poate prezenta anizotropie in raport cu alte marimi). Anticipand (v.§1.2.3), corpurile cu anizotropie din punctul de vedere al permitivitatii (ε), al permeabilitatii (µ) si al rezistivitatii (ρ) au marimile de material ε, µ si ρ exprimate printr-un tensor de ordinul al doilea (o matrice cu 9 valori scalare, intr-un sistem tridimensional de referinta). In Elasticitate (din Rezistenta materialelor), exista corpuri cu anizotropie elastica, ce au marimea denumita tensorul lui Hooke, care leaga tensorul starilor de tensiune (mecanica) cu tensorul starilor de deformatie, exprimata printr-un tensor de ordinul al patrulea (cu o matrice compusa din n^m=3⁴=81 scalari). In corpurile izotrope, marimile de material ε, µ si ρ sunt marimi scalare;

uniformitatea corpului. Despre un corp se spune ca este uniform daca el este simultan si omogen si izotrop. In caz contrar, el este neuniform. Uniformitatea este o caracteristica ce se poate extinde la diferite obiecte: material, corp, sistem fizic, camp etc. Astfel, un camp scalar (de exemplu de temperaturi θ) este uniform intr-un domeniu W daca pentru PIW =>θ(P) = const., iar un camp vectorial (de exemplu gradienti de temperatura grad θ - v.§9.1.2) este uniform daca in orice punct P al campului W= vectorul, adica in PIW, grad θ are aceeasi valoare absoluta, aceeasi directie si acelasi sens sau, intr-un sistem de referinta triortonormal, componentele vectorului grad θ(x,y,z) sunt: ,  si => (x,y,z) IW

vidul reprezinta un  concept de referinta in teoria macroscopica a campului electromagnetic, el fiind considerat ca un etalon pentru corpul uniform (adica omogen si izotrop). Din punctul de vedere al Fizicii, vidul este domeniul din spatiu care nu contine substante sau -local - vidul este domeniul W₀ in ale carui puncte, PIW₀, densitatea de substanta (masa specifica, definita local prin derivata masei m in raport cu volumul v in punctul P considerat: dm/dv|_P) este zero: W₀=. Din punctul de vedere al tehnicii, vidul este starea fizica din regiunile din spatiu care contin foarte putine particule corporale sau (la limita, teoretic) nu contin astfel de particule; in acest sens, se spune ca intr-un recipient este vid atunci cand a fost indepartat din el gazul (aerul) pe care il continea. Din punctul de vedere al Astrofizicii, vidul este spatiul interstelar, adica spatiul existent in macrocosmos intre corpurile ceresti (Soarele, planetele cu satelitii lor - naturali sau artificiali, cometele, meteoritii, stelele, particule cosmice etc.). Din punctul de vedere al teoriei macroscopice a campului electromagnetic (a lui Maxwell si Hertz) se considera ca substanta corpurilor este "raspandita" continuu in intregul spatiu, vidul reprezentand o stare de extrema rarefiere a substantei, "spatiul dintre corpuri" in care exista camp electromagnetic, actiuni ponderomotoare, forte si momente, densitate de volum a energiei electromagnetice (v.subcap.2.6 si 5.5), densitate de suprafata a puterii radiate (v.§1.5.3), unde electromagnetice (v.cap.7), localizarea actiunilor etc. In cadrul acestui manual, toate marimile electrice si magnetice (de stare si de material) definite sau relative la vid vor purta indicele 0 (, ε₀, µ₀ etc).