Jump to content

Гауссовы единицы

Карл Фридрих Гаусс

Гауссовы единицы представляют собой метрическую систему физических единиц . Эта система является наиболее распространенной из нескольких систем электромагнитных единиц, основанных на единицах CGS (сантиметр-грамм-секунда) . Ее еще называют системой единиц Гаусса , единицами Gaussian-CGS или часто просто единицами CGS . [а] Термин «единицы СГС» неоднозначен, и поэтому его следует избегать, если это возможно: существует несколько вариантов СГС с противоречивыми определениями электромагнитных величин и единиц.

Единицы СИ преобладают в большинстве областей, и их популярность продолжает расти за счет единиц Гаусса. [1] [б] Альтернативные системы единиц также существуют. Преобразования между величинами в гауссовых единицах и единицах СИ не являются прямым преобразованием единиц, поскольку сами величины определяются по-разному в каждой системе. Это означает, что уравнения, выражающие физические законы электромагнетизма, такие как уравнения Максвелла , будут меняться в зависимости от используемой системы единиц. Например, величины, которые являются безразмерными в одной системе, могут иметь размерность в другой.

Альтернативные системы единиц

[ редактировать ]

Гауссова система единиц — лишь одна из нескольких систем электромагнитных единиц в CGS. Другие включают « электростатические единицы », « электромагнитные единицы » и единицы Хевисайда-Лоренца .

Некоторые другие системы единиц называются « естественными единицами », и эта категория включает в себя атомные единицы , планковские единицы и другие.

Международная система единиц (СИ) и связанная с ней Международная система величин (ISQ) на сегодняшний день являются наиболее распространенной системой единиц. В инженерных и практических областях SI практически универсален и используется уже десятилетия. [1] В технической и научной литературе (например, по теоретической физике и астрономии ) до последних десятилетий преобладали гауссовы единицы, но сейчас их становится все меньше. [1] [б] В 8-й брошюре SI признается, что система единиц CGS-Гаусса имеет преимущества в классической и релятивистской электродинамике . [2] но в 9-й брошюре SI системы CGS не упоминаются.

Естественные единицы могут использоваться в более теоретических и абстрактных областях физики, особенно в физике элементарных частиц и теории струн .

Основные различия между гауссовой системой и системой СИ

[ редактировать ]

«Рационализированные» системы единиц

[ редактировать ]

Одно из различий между единицами Гаусса и СИ заключается в коэффициентах 4 π в различных формулах. С электромагнитными единицами СИ, называемыми рационализированными , [3] [4] Уравнения Максвелла не содержат явных множителей 4 π в формулах, тогда как законы обратных квадратов силы – закон Кулона и закон Био – Савара имеют множитель 4 π, привязанный к r 2 . С гауссовыми единицами, называемыми нерационализованными (в отличие от единиц Хевисайда-Лоренца ), ситуация обратная: два уравнения Максвелла имеют коэффициенты 4 π в формулах , в то время как оба закона обратных квадратов силы, закон Кулона и закон Био-Савара закона, не имеют коэффициента 4 π, прикрепленного к r 2 в знаменателе.

(Величина 4 π появляется потому, что 4 πr 2 площадь поверхности сферы радиуса r , отражающая геометрию конфигурации. Подробности см. в статьях Связь между законом Гаусса и законом Кулона и Законом обратных квадратов .)

Единица заряда

[ редактировать ]

Основное различие между системой Гаусса и ISQ заключается в соответствующих определениях количественного заряда. В ISQ отдельное базовое измерение, электрический ток, с соответствующей единицей СИ, ампером , связано с электромагнитными явлениями, в результате чего единица электрического заряда (1 кулон = 1 ампер × 1 секунда) является физической величиной. это не может быть выражено чисто в механических единицах (килограмм, метр, секунда). С другой стороны, в гауссовской системе единицу электрического заряда ( статкулон , statC) можно полностью записать как размерную комбинацию неэлектрических основных единиц (грамм, сантиметр, секунда), как:

1 статC = 1 г 1/2 ⋅cm 3/2 ⋅s −1 .

Например, закон Кулона в гауссовых единицах не имеет константы: где F - сила отталкивания между двумя электрическими зарядами, Q Г
1
и вопрос Г
2
— два рассматриваемых заряда, а r — расстояние, разделяющее их. Если вопрос Г
1
и вопрос Г
2
выражаются в statC , а r в сантиметрах , то единицей F , соответствующей этим единицам, является дина .

Тот же закон в ISQ гласит: где ε 0 диэлектрическая проницаемость вакуума , величина, которая не является безразмерной: она имеет размерность ( заряд ) 2 ( время ) 2 ( масса ) −1 ( длина ) −3 . Без ε 0 уравнение было бы несовместимо по размерам с величинами, определенными в ISQ, тогда как величина ε 0 не фигурирует в уравнениях Гаусса. Это пример того, как некоторые размерные физические константы можно исключить из выражений физических законов путем выбора определения величин. В ИСК, преобразует или масштабирует плотность потока D в соответствующее электрическое поле E ( последнее имеет размерность силы на заряд ), тогда как в гауссовой системе плотность электрического потока равна той же величине, что и напряженность электрического поля в свободном пространстве, за исключением безразмерной величины. постоянный фактор.

В гауссовой системе скорость света c появляется непосредственно в электромагнитных формулах, таких как уравнения Максвелла (см. Ниже), тогда как в ISQ она появляется через произведение .

Единицы магнетизма

[ редактировать ]

В гауссовой системе, в отличие от ISQ, электрическое поле E Г и магнитное поле B Г иметь одинаковую размерность. Это составляет коэффициент c между тем, как B определяется в двух системах единиц, помимо других различий. [3] (Тот же фактор применим и к другим магнитным величинам, таким как Например ) , в плоской световой магнитное поле H и намагниченность M волне в вакууме | . Э Г ( р , т ) | = | Б Г ( р , т ) | в гауссовских единицах, в то время как | Э я ( р , т ) | = с | Б я ( р , т ) | в ИСК.

Поляризация, намагниченность

[ редактировать ]

Существуют и другие различия между гауссовской системой и ISQ в том, как определяются величины, связанные с поляризацией и намагниченностью. Во-первых, в системе Гаусса все следующие величины имеют одинаковую размерность: E Г , Д Г , П Г , Б Г , Ч Г и М Г . Еще один момент заключается в том, что электрическая и магнитная восприимчивость материала безразмерна как в системе Гаусса, так и в ISQ, но данный материал будет иметь разную числовую восприимчивость в двух системах. (Уравнение приведено ниже.)

Список уравнений

[ редактировать ]

В этом разделе приведен список основных формул электромагнетизма, данных как в системе Гаусса, так и в Международной системе величин (ISQ) . Названия большинства символов не указаны; для получения полных объяснений и определений перейдите к соответствующей статье для каждого уравнения. Простую схему преобразования для использования, когда таблицы недоступны, можно найти вГарг (2012). [5] Все формулы, если не указано иное, взяты из работы. [3]

Уравнения Максвелла

[ редактировать ]

Вот уравнения Максвелла как в макроскопической, так и в микроскопической форме. Дана только «дифференциальная форма» уравнений, а не «интегральная форма»; для получения интегральных форм применяют теорему о расходимости или теорему Кельвина–Стокса .

Уравнения Максвелла в системе Гаусса и ISQ
Имя Гауссова система ISQ
Закон Гаусса
(макроскопический)
Закон Гаусса
(микроскопический)
Закон Гаусса для магнетизма
Уравнение Максвелла – Фарадея
( Закон индукции Фарадея )
Уравнение Ампера – Максвелла
(макроскопический)
Уравнение Ампера – Максвелла
(микроскопический)

Другие основные законы

[ редактировать ]
Другие электромагнитные законы в системе Гаусса и ISQ
Имя Гауссова система ISQ
сила Лоренца
Закон Кулона
Электрическое поле
стационарный точечный заряд
Закон Био – Савара [6]
Вектор Пойнтинга
(микроскопический)

Диэлектрические и магнитные материалы

[ редактировать ]

Ниже приведены выражения для различных полей в диэлектрической среде. Здесь для простоты предполагается, что среда однородна, линейна, изотропна и недисперсионна, так что диэлектрическая проницаемость является простой константой.

Выражения для полей в диэлектрических средах
Гауссова система ISQ

где

Количества и оба безразмерны и имеют одинаковое числовое значение. Напротив, электрическая восприимчивость и оба безразмерны, но имеют разные числовые значения для одного и того же материала:

Далее приведем выражения для различных полей в магнитной среде. Опять же предполагается, что среда однородна, линейна, изотропна и недисперсна, так что проницаемость является простой константой.

Выражения для полей в магнитных средах
Гауссова система ISQ

где

Количества и оба безразмерны и имеют одинаковое числовое значение. Напротив, магнитная восприимчивость и оба безразмерны, но имеют разные числовые значения в двух системах для одного и того же материала:

Векторные и скалярные потенциалы

[ редактировать ]

Электрические и магнитные поля можно записать через векторный потенциал A и скалярный потенциал φ :

Электромагнитные поля в системе Гаусса и ISQ
Имя Гауссова система ISQ
Электрическое поле
Магнитное B поле

Электрическая схема

[ редактировать ]
Значения электрической цепи в системе Гаусса и ISQ
Имя Гауссова система ISQ
Сохранение заряда
закон Ленца
Закон Ома
Емкость
Индуктивность

где

Фундаментальные константы

[ редактировать ]
Фундаментальные константы в системе Гаусса и ISQ
Имя Гауссова система ISQ
Импеданс свободного пространства
Электрическая постоянная
Магнитная постоянная
Константа тонкой структуры
Квант магнитного потока
Квант проводимости
Радиус Бора
Магнит Бора

Названия электромагнитных устройств

[ редактировать ]
Таблица 1: Распространенные единицы электромагнетизма в системе СИ в сравнении с гауссовой системой [7]
Количество Символ И объединились Гауссова единица
(в базовых единицах)
Коэффициент пересчета
Электрический заряд д С Пт
(см 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Электрический ток я А был
(см 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −2 )
Электрический потенциал ,
Напряжение
ж
V
V статВ
(см 1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Электрическое поле И V / m статВ / см
(см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Поле электрического смещения Д См 2 Фр / см 2
(см −1/2 г 1/2 с −1 )
Электрический дипольный момент п C m Fr cm
(см 5/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Электрический поток Φ е С Пт
(см 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Диэлектрическая проницаемость е ж / м см /см
Магнитное B поле Б Т Г
(см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Магнитное H поле ЧАС Являюсь Ты
(см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Магнитный дипольный момент м A m 2 очень / Г
(см 5/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Магнитный поток Φ м ВБ Мкс
(см 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
Проницаемость м Ч / м см /см
Сопротивление Р Ой с / см
Удельное сопротивление р Ω m с
Емкость С Ф см
Индуктивность л ЧАС с 2 / см

Примечание . Величины СИ и удовлетворить

Коэффициенты пересчета записываются как в символьном, так и в числовом виде. Числовые коэффициенты пересчета могут быть получены из символьных коэффициентов пересчета путем анализа размерностей . Например, в верхнем ряду написано , соотношение, которое можно проверить с помощью анализа размерностей, разложив и кулоны (C) в базовых единицах СИ , а также расширяющиеся статкулоны (или франклины, Fr) в базовых единицах Гаусса.

Удивительно думать об измерении емкости в сантиметрах. Одним из полезных примеров является то, что сантиметр емкости — это емкость между сферой радиуса 1 см в вакууме и бесконечностью.

Еще одна удивительная единица измерения удельного сопротивления в секундах. Физический пример: Возьмем конденсатор с параллельными пластинами , который имеет «протекающий» диэлектрик с диэлектрической проницаемостью 1, но с конечным удельным сопротивлением. После зарядки конденсатор со временем разряжается из-за утечки тока через диэлектрик. Если удельное сопротивление диэлектрика t секунд, период полураспада разряда составит ~0,05 t секунд. Этот результат не зависит от размера, формы и заряда конденсатора, и поэтому этот пример освещает фундаментальную связь между удельным сопротивлением и единицами времени.

Эквивалентные единицы измерения

[ редактировать ]

Ряд единиц, определенных в таблице, имеют разные названия, но фактически эквивалентны по размерности, т. е. имеют одно и то же выражение в терминах основных единиц см, г, с. (Это аналогично различию в системе СИ между беккерелем и Гц или между ньютон-метром и джоулем .) Различные названия помогают избежать двусмысленностей и недоразумений относительно того, какая физическая величина измеряется. В частности, все следующие величины эквивалентны по размерам в гауссовских единицах, но, тем не менее, им даны разные названия единиц, а именно: [8]

Эквивалентные единицы измерения
Количество Гауссовский символ По Гауссу
базовые единицы
Гауссова единица
меры
Электрическое поле И Г см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 статВ /см
Поле электрического смещения Д Г см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 статЦ /см 2
Плотность поляризации П Г см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 статЦ /см 2
Плотность магнитного потока Б Г см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 Г
Намагничивающее поле ЧАС Г см −1/2 г 1/2 ⋅s −1 Ты
Намагниченность М Г см −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 дин / Мкс

Общие правила перевода формулы

[ редактировать ]

Любую формулу можно преобразовать между единицами Гаусса и СИ, используя символьные коэффициенты перевода из Таблицы 1 выше.

Например, электрическое поле неподвижного точечного заряда имеет формулу ISQ где r — расстояние, а верхний индекс « I » указывает, что электрическое поле и заряд определяются так же, как в ISQ. Если мы хотим, чтобы в формуле вместо этого использовались гауссовы определения электрического поля и заряда, мы посмотрим, как они связаны, используя таблицу 1, в которой говорится:

Следовательно, после подстановки и упрощения получаем формулу системы Гаусса: что является правильной формулой системы Гаусса, как упоминалось в предыдущем разделе.

Для удобства в приведенной ниже таблице собраны символьные коэффициенты пересчета из Таблицы 1. Чтобы преобразовать любую формулу из системы Гаусса в ISQ с помощью этой таблицы, замените каждый символ в столбце Гаусса соответствующим выражением в столбце СИ (наоборот). конвертировать в другую сторону). Это позволит воспроизвести любую из конкретных формул, приведенных в списке выше, например, уравнения Максвелла, а также любую другую формулу, не указанную в списке. [9] [10] [11] [с]

Таблица 2А: Правила замены для перевода формул из гауссова в ISQ
Имя Гауссова система ISQ
электрическое поле , электрический потенциал , электродвижущая сила
электрическое поле смещения
заряд , плотность заряда , ток ,
плотность тока , плотность поляризации ,
электрический дипольный момент
магнитное B поле , магнитный поток ,
магнитный векторный потенциал
магнитное H поле , магнитный скалярный потенциал , магнитодвижущая сила
магнитный момент , намагниченность , сила магнитного полюса
диэлектрическая проницаемость ,
проницаемость
электрическая восприимчивость ,
магнитная восприимчивость
проводимость , проводимость , емкость
удельное сопротивление , сопротивление , индуктивность , мемристанс , импеданс
магнитное сопротивление
Таблица 2B: Правила замены для перевода формул из ISQ в гауссову форму
Имя ISQ Гауссова система
электрическое поле , электрический потенциал , электродвижущая сила
электрическое поле смещения
заряд , плотность заряда , ток ,
плотность тока , плотность поляризации ,
электрический дипольный момент
магнитное B поле , магнитный поток ,
магнитный векторный потенциал
магнитное H поле , магнитный скалярный потенциал , магнитодвижущая сила
магнитный момент , намагниченность , сила магнитного полюса
диэлектрическая проницаемость ,
проницаемость
электрическая восприимчивость ,
магнитная восприимчивость
проводимость , проводимость , емкость
удельное сопротивление , сопротивление , индуктивность , мемристанс , импеданс
магнитное сопротивление

После того, как все появления продукта были заменены на , в уравнении не должно быть оставшихся величин, имеющих электромагнитную размерность ISQ (или, что то же самое, имеющих электромагнитную единицу СИ).

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Один из многих примеров использования термина «единицы СГС» для обозначения гауссовых единиц: Конспекты лекций Стэнфордского университета.
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Например, одним из широко используемых учебников по электромагнетизму для аспирантов является «Классическая электродинамика» Джексона Дж.Д. . Во втором издании, опубликованном в 1975 году, использовались исключительно единицы Гаусса, а в третьем издании, опубликованном в 1998 году, в основном используются единицы СИ. Точно так же «Электричество и магнетизм» Эдварда Перселла является популярным учебником для студентов. Во втором издании, опубликованном в 1984 году, использовались единицы Гаусса, а в третьем издании, опубликованном в 2013 году, были использованы единицы СИ.
  3. ^ Некоторые примеры использования этой таблицы см. в разделе «Единицы измерения электричества и магнетизма» . См. раздел «Преобразование формул Гаусса в СИ» и последующий текст.
  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «CGS» , в скольких? Словарь единиц измерения , составленный Рассом Роулеттом и Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл.
  2. ^ Международное бюро мер и весов (2006 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), ISBN  92-822-2213-6 , заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г. , стр. 128
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Литтлджон, Роберт (осень 2017 г.). «Гауссова система единиц СИ и другие системы единиц в электромагнитной теории» (PDF) . Физика 221A, Конспект лекций Калифорнийского университета в Беркли . Проверено 18 апреля 2018 г.
  4. ^ Ковальски, Людвик, 1986, «Краткая история единиц СИ в электричестве» , архивировано 29 апреля 2009 г. в Wayback Machine The Physics Teacher 24 (2): 97–99. Альтернативная веб-ссылка (требуется подписка)
  5. ^ А. Гарг, 2012, «Классическая электродинамика в двух словах» (Princeton University Press).
  6. ^ Введение в электродинамику Капри и Паната, стр. 180.
  7. ^ Кардарелли, Ф. (2004). Энциклопедия научных единиц, весов и мер: их эквиваленты и происхождение в системе СИ (2-е изд.). Спрингер. стр. 20–25 . ISBN  978-1-85233-682-0 .
  8. ^ Коэн, Дуглас Л. (2001). Демистификация электромагнитных уравнений . СПАЙ Пресс. п. 155. ИСБН  9780819442345 . Проверено 25 декабря 2012 г.
  9. ^ Бредов, М. М.; Румянцев, В. В.; Топтыгин, И. Н. (1985). "Appendix 5: Units transform". Классическая электродинамика [ Classical Electrodynamics ] (in Russian). Nauka . p. 385.
  10. ^ Симпсон, Дэвид. «Таблица преобразования формул SI / Гаусса» (PDF) . Общественный колледж принца Джорджа . Проверено 23 февраля 2024 г.
  11. ^ Джексон, Джон. Классическая электродинамика (3-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 782. ИСБН  0-471-30932-Х .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: faf15f702d5a5b0e1e2b15d909b40a79__1719878700
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/fa/79/faf15f702d5a5b0e1e2b15d909b40a79.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Gaussian units - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)