Тестовая частица

В физических теориях или пробная частица пробный заряд — это идеализированная модель объекта, физические свойства которого (обычно масса , заряд или размер ) считаются незначительными, за исключением изучаемого свойства, которое считается недостаточным для того, чтобы изменить поведение остальной части системы. Концепция пробной частицы часто упрощает проблемы и может обеспечить хорошее приближение физических явлений. Помимо использования для упрощения динамики системы в определенных пределах, он также используется в качестве диагностики при компьютерном моделировании физических процессов.

Электростатика

В моделировании электрических полей наиболее важными характеристиками пробной частицы являются ее электрический заряд и масса . В этой ситуации его часто называют испытательным зарядом .

Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом q, равно

${\textbf {E}}={\frac {q{\hat {\mathbf {r} }}}{4\pi \varepsilon _{0}r^{2}}}$,

где ε ₀ — электрическая проницаемость вакуума .

Умножение этого поля на тестовый заряд $q_{\textrm {test}}$ дает электрическую силу ( закон Кулона ), действующую полем на пробный заряд. Обратите внимание, что и сила , и электрическое поле являются векторными величинами, поэтому на положительный пробный заряд будет действовать сила, направленная в направлении электрического поля.

Классическая гравитация

Самый простой случай применения пробной частицы возникает в законе всемирного тяготения Ньютона . Общее выражение силы гравитации между любыми двумя точечными массами. $m_{1}$ и $m_{2}$ является:

$F=-G{\frac {m_{1}m_{2}}{|\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}|^{2}}}$,

где $\mathbf {r} _{1}$ и $\mathbf {r} _{2}$ представляют положение каждой частицы в пространстве. В общем решении этого уравнения обе массы вращаются вокруг своего центра масс R , в данном конкретном случае:

$\mathbf {R} ={\frac {m_{1}\mathbf {r} _{1}+m_{2}\mathbf {r} _{2}}{m_{1}+m_{2}}}$.

В случае, когда одна из масс значительно больше другой ( $m_{1}\gg m_{2}$), можно предположить, что меньшая масса движется как пробная частица в гравитационном поле, создаваемом большей массой, которая не ускоряется. Мы можем определить гравитационное поле как

$\mathbf {g} (r)=-{\frac {Gm_{1}}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}$,

с $r$ как расстояние между массивным объектом и пробной частицей, и ${\hat {r}}$ – единичный вектор в направлении от массивного объекта к пробной массе. Второй закон Ньютона движения меньшей массы сводится к

$\mathbf {a} (r)={\frac {F}{m_{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}=\mathbf {g} (r)$,

и, следовательно, содержит только одну переменную, для которой решение можно вычислить проще. Этот подход дает очень хорошие аппроксимации для многих практических задач, например, орбит спутников , масса которых относительно мала по сравнению с массой Земли .

Общая теория относительности

В метрических теориях гравитации, особенно в общей теории относительности , пробная частица представляет собой идеализированную модель небольшого объекта, масса которого настолько мала, что она не оказывает заметного воздействия на окружающее гравитационное поле .

Согласно уравнениям поля Эйнштейна , гравитационное поле локально связано не только с распределением негравитационной массы-энергии , но также с распределением импульса и напряжения (например, давления, вязких напряжений в идеальной жидкости ).

В случае пробных частиц в вакуумном растворе или электровакуумном растворе это, оказывается, означает, что помимо приливного ускорения, испытываемого небольшими облаками пробных частиц (со спином или нет), пробные частицы со спином могут испытывать дополнительные ускорения из-за спин-спиновые силы .

См. также

• Точечная частица ( масса точки , точечный заряд )