Гауссовы единицы

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:
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 .
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 ]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.
Гауссова система | ISQ |
---|---|
где
- E и D — электрическое поле и поле смещения соответственно;
- P — плотность поляризации ;
- – диэлектрическая проницаемость ;
- — диэлектрическая проницаемость вакуума (используется в системе СИ, но не имеет смысла в гауссовых единицах); и
- это электрическая восприимчивость .
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.
Гауссова система | ISQ |
---|---|
где
- B и H — магнитные поля ;
- М – намагниченность ;
- – магнитная проницаемость ;
- — проницаемость вакуума (используется в системе СИ, но не имеет смысла в гауссовых единицах); и
- это магнитная восприимчивость .
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 :
Имя | Гауссова система | ISQ |
---|---|---|
Электрическое поле | ||
Магнитное B поле |
Электрическая схема
[ редактировать ]Имя | Гауссова система | ISQ |
---|---|---|
Сохранение заряда | ||
закон Ленца | ||
Закон Ома | ||
Емкость | ||
Индуктивность |
где
- Q - электрический заряд
- Я электрический ток
- V - электрический потенциал
- Φ — магнитный поток
- R - электрическое сопротивление
- C - емкость
- L - индуктивность
Фундаментальные константы
[ редактировать ]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 ]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]
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]
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 |
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 ]- ^ Один из многих примеров использования термина «единицы СГС» для обозначения гауссовых единиц: Конспекты лекций Стэнфордского университета.
- ^ 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.
- ^ Некоторые примеры использования этой таблицы см. в разделе «Единицы измерения электричества и магнетизма» . См. раздел «Преобразование формул Гаусса в СИ» и последующий текст.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «CGS» , в скольких? Словарь единиц измерения , составленный Рассом Роулеттом и Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл.
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ 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)
- ^ А. Гарг, 2012, «Классическая электродинамика в двух словах» (Princeton University Press).
- ^ Введение в электродинамику Капри и Паната, стр. 180.
- ^ 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 .
- ^ Коэн, Дуглас Л. (2001). Демистификация электромагнитных уравнений . СПАЙ Пресс. п. 155. ИСБН 9780819442345 . Проверено 25 декабря 2012 г.
- ^ Бредов, М. М.; Румянцев, В. В.; Топтыгин, И. Н. (1985). "Appendix 5: Units transform". Классическая электродинамика [ Classical Electrodynamics ] (in Russian). Nauka . p. 385.
- ^ Симпсон, Дэвид. «Таблица преобразования формул SI / Гаусса» (PDF) . Общественный колледж принца Джорджа . Проверено 23 февраля 2024 г.
- ^ Джексон, Джон. Классическая электродинамика (3-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 782. ИСБН 0-471-30932-Х .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Полный список названий гауссовских единиц и их выражений в базовых единицах.
- Эволюция гауссовских единиц. Архивировано 9 января 2016 г. в Wayback Machine Дэном Петру Данеску.