Напряжённость — понятие физики и техники¶

Напряжённость — это физическая величина, характеризующая интенсивность поля или распределение внутренних усилий в деформированном теле. Термин употребляется в нескольких разделах физики и техники, где обозначает разные, но родственные по смыслу величины: напряжённость электрического поля, напряжённость магнитного поля, напряжённость механического напряжения и ряд других показателей.

¶Напряжённость электрического поля

Напряжённостью электрического поля называют векторную величину, определяющую силу, с которой поле действует на положительно заряженную пробную частицу. В Международной системе единиц (СИ) напряжённость измеряется в вольтах на метр (В/м) и численно равна отношению разности потенциалов к расстоянию между точками.

Математически напряжённость электрического поля связана с потенциалом φ соотношением E = −∇φ, где знак минус указывает на то, что вектор напряжённости направлен по убыванию потенциала. Для однородного поля между двумя параллельными пластинами величина E равна отношению напряжения U к расстоянию d между пластинами: E = U/d.

Напряжённость электрического поля определяет многие явления: ионизацию газов, пробой диэлектриков, работу конденсаторов, распространение электромагнитных волн. В технике высоких напряжений расчёт допустимой напряжённости критически важен для проектирования изоляции линий электропередачи и подстанций.

¶Напряжённость магнитного поля

Напряжённостью магнитного поля (в старой терминологии — магнитной индукцией) называют векторную величину, характеризующую действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи. В современной российской учебной литературе для обозначения этой величины чаще используется термин «магнитная индукция» B, измеряемая в теслах (Тл), тогда как «напряжённость магнитного поля» H измеряется в амперах на метр (А/м) и связана с B соотношением B = μH, где μ — магнитная проницаемость среды.

В однородном поле соленоида напряжённость H численно равна отношению числа витков к длине катушки, умноженному на силу тока. В земном магнитном поле напряжённость составляет около 30–60 А/м, что соответствует магнитной индукции порядка 40–60 мкТл.

¶Напряжённость механического напряжения

В сопротивлении материалов и строительной механике напряжённостью называют величину, численно равную внутренней силе, отнесённой к площади поперечного сечения тела: σ = F/S. Единица измерения — паскаль (Па), в инженерной практике также используются мегапаскали (МПа) и килограмм-силы на квадратный сантиметр.

Напряжённость напряжения бывает нормальная (перпендикулярная сечению) и касательная (тангенциальная, сдвигающая). Расчёт допустимых напряжённостей лежит в основе проектирования несущих конструкций: мостов, зданий, машинных деталей, давлений сосудов. Критические значения напряжённости, при которых материал переходит в пластическое состояние или разрушается, определяют его прочностные характеристики.

¶Напряжённость других полей

Термин применяется и для ряда других физических величин:

• Напряжённость гравитационного поля — сила, действующая на единицу массы, измеряется в ньютонах на килограмм (Н/кг) или метрах в секунду в квадрате (м/с²).
• Напряжённость звука — величина, характеризующая амплитуду колебаний давления или скорости частиц среды; в акустике используется для оценки интенсивности звуковых волн.
• Напряжённость освещённости — световой поток, падающий на единицу площади поверхности, измеряется в люксах (лк).

¶Единицы измерения и размерность

Различные виды напряжённости имеют разную размерность, что отражает их физическую природу:

¶Применение

Расчёт напряжённостей применяется при проектировании электрических машин и трансформаторов, линий электропередачи, электролизных ванн, магнитных систем датчиков и медицинской техники. В строительстве и машиностроении допустимые напряжённости задаются нормативными документами и учитывают запас прочности. В геофизике измерение напряжённости магнитного поля лежит в основе магнитной съёмки местности.