1.3. Что такое двухуровневая физическая система?

Двухуровневая физическая система - это эксперимент или опыт, в котором присутствует два уровня энергии: нижний и верхний.

Двухуровневая физическая система похожа на двухэтажный поезд.

Нижний уровень энергии называют зарядом системы. Верхний уровень энергии называют энергией системы. Какие законы и физические параметры могут входить в двух – уровневую физическую систему?

1. Ток энергии 2-х уровней.

2. Потенциал энергии 2-х уровней.

3. Ёмкости сред 2-х уровней.

4. Сопротивления сред 2-х уровней.

Рассмотрим параметры физических систем тепловой иерархии энергий на рисунке 1.3.

Рис. 1.3. Параметры физических систем тепловой иерархии энергий.

Рассмотрим параметры физических систем механической иерархии энергий на рисунке 1.4.

Рис. 1.4. Параметры физических систем механической иерархии энергий.

Если рассмотреть таблицу подробнее, то можно заметить, что у параметров токов, ёмкостей и сопротивлений индексы имеют букву энергии более высокого уровня. Это сделано для того, чтобы на нижнем уровне не ставить индексы времени. Хотя, если рассматривать задачу математически, то индексы можно обозначать цифрами.

Теперь можно рассмотреть и сами двухуровневые физические системы.

Рис. 1.5. Двухуровневая магнитная физическая система тепловой иерархии энергий.

Рассматривая магнитную физическую систему, можно понять, откуда взялся «электромагнетизм». У магнитной физической системы (см. рис. 1.5.) энергией системы является электрический заряд, а зарядом системы является время.

Двухуровневая магнитная физическая система порождает все явления, которые исследовал Фарадей, и затем попытался математически описать Максвелл.

Особенностью любой физической системы является «управляемость сверху» от энергии системы. Поэтому электрический заряд управляет магнитным полем. Такой способ управления называется: «будущее управляет прошлым» или «следствие управляет причиной». Из-за такого способа управления вся система (как и другие) охвачена отрицательной обратной связью.

Как мы помним, в уравнения Максвелла входило 4 уравнения. Два из них определяли магнитный закон Кулона и электрический закон Кулона. Два других должны были выражаться как закон переноса – потока, и закон обратной связи при релаксации магнитной энергии.

Напишем два последних закона:

1.Основное дифференциальное уравнение управления (ОДУУ) :

(1.7) ,

где

I – электрический ток – потенциал системы, измеряемый в амперах;

τ - время, измеряемое как интервал – в секундах;

R_Q – магнитное сопротивление, измеряемое в амперах:

С_Q – магнитная ёмкость, измеряемая в секундах/ампер.

Уравнение (1.7 ) выражает накопительную отрицательную обратную связь (НООС). Также уравнение (1.7) –это уравнение для релаксации магнитного заряда, описывает процесс самоиндукции, происходящий в катушке с током.

2.Закон для магнитного тока (не путать с магнитным потоком!). Магнитный ток выражен через потенциал системы I:

(1.8)

где

I_Q – магнитный ток, измеряется в безразмерных единицах;

I – электрический ток – потенциал системы, измеряемый в амперах;

R_Q – магнитное сопротивление, измеряемое в амперах.

Сохраняемой величиной для магнитной физической системы является величина магнитного потока. Закон сохранения индуктивного импульса:

(1.9) ,

где U – электрическое напряжение.

Множитель L (индуктивность) для сохраняемой величины имеет вид:

(1.10)

где

L – индуктивность, измеряемая в генри;

R_Q – магнитное сопротивление, измеряемое в амперах:

С_Q – магнитная ёмкость, измеряемая в секундах/ампер.

R_E – электрическое сопротивление, измеряемое в омах.

Величина LI определяет магнитный поток, и является сохраняемой величиной. Для одного и того же магнитного потока:

(1.11)

Второй и третий уровни энергий входят в электрическую физическую систему (рис. 1.6.).

Рис. 1.6. Двухуровневая электрическая физическая система тепловой иерархии энергий.

Двухуровневая электрическая физическая система реализует термоэлектрические принципы и законы. Управление электрическим током осуществляется по способу «причина управляет следствием» посредством тепловой энергии.

К тепловым элементам относятся термоэлектрические и гальванические источники питания. Иногда для решения задач электронных приборов, следует рассматривать и влияние 4-го уровня энергии. Электрическая система определяет законы излучений. Напишем основные законы для электрической физической системы.

1.Основное дифференциальное уравнение управления (ОДУУ) :

(1.12)

где

U – электрическое напряжение, или потенциал системы, измеряемый в вольтах;

τ - время, измеряемое как интервал – в секундах;

R_E – электрическое сопротивление, измеряемое в омах:

С_E – электрическая ёмкость, измеряемая в фарадах.

Уравнение (1.12 ) выражает накопительную отрицательную обратную связь (НООС). Также уравнение (1.12) –это уравнение для релаксации электрического заряда, описывает процесс разряда электрического конденсатора.

2.Закон для электрического тока, или закон Ома:

(1.13)

где

I_E – электрический ток, измеряется в амперах.

I – электрический ток – потенциал системы, измеряемый в амперах;

R_E – электрическое сопротивление, измеряемое омах.

Сохраняемой величиной для электрической физической системы является величина импульса теплового излучения. Закон сохранения импульса теплового излучения:

(1.14)

где E – тепловая энергия, измеряемая в джоулях.

Множитель γ для сохраняемой величины имеет вид:

(1.15)

где

γ – коэффициент тепловой инерции;

R_Θ – диффузионное сопротивление, измеряемое в кельвин/ватт:

С_E – электрическая ёмкость, измеряемая в фарадах;

R_E – электрическое сопротивление, измеряемое в омах.

Выражение: называется импульсом теплового излучения , где P – тепловой ток (или мощность), измеряемый в Ваттах.

Закон сохранения работает так: если источник тепла (или излучатель света или электромагнитных волн) поместить в теплоизоляционную среду, то температура источника повысится;

если источник тепла (или излучатель света или электромагнитных волн) поместить в теплопроводящую среду, то температура источника понизится;

причём постоянной величиной останется величина импульса теплового излучения:

(1.16.)

В тепловой иерархии энергий есть ещё одна двухуровневая физическая система, называемая также тепловой.

Рис. 1.7. Двухуровневая тепловая физическая система тепловой иерархии энергий.

Двухуровневая тепловая физическая система определяется такими законами, как закон Фурье и закон Ньютона-Рихмана. Эта система показывает движение тепла и работу источников тепла. Тепловая система также управляется по принципу «причина управляет следствием», где движение тепла определяется диффузией.

Напишем основные законы для движения тепла.

1.Основное дифференциальное уравнение управления (ОДУУ) :

(1.17),

где

T_m - T_out – температурный напор - потенциал системы, измеряемый в кельвинах;

T_m – мгновенная температура тела;

T_out – температура окружающей среды;

τ - время, измеряемое как интервал – в секундах;

R_Θ – тепловое сопротивление, измеряемое в кельвин/ватт;

С_Θ – тепловая ёмкость, измеряемая в джоуль/кельвин.

Уравнение (1.17 ) выражает накопительную отрицательную обратную связь (НООС). Также уравнение (1.17) –это уравнение для релаксации теплового заряда, описывает процесс остывания тела. Решение уравнения (1.17) приводит к закону Ньютона-Рихмана.

2.Закон для теплового тока, или закон Фурье:

(1.18)

где

P – тепловой ток, измеряется в ваттах.

ΔT – температурный напор – потенциал системы, измеряемый в кельвинах;

R_Θ – тепловое сопротивление, измеряемое в кельвин/ватт.

Кроме тепловой иерархии энергий, существует и механическая иерархия энергий, в которой есть две физические системы. Первая система, охватывающая первые два уровня, называется физической системой движения. Такое явление, как инерция, является проявлением отрицательной обратной связи в физической системе движения.

Для физической системы движения: зарядом системы является время τ, а энергией системы является координата L.

Рис. 1.8. Двухуровневая физическая система движения в механической иерархии энергий.

Напишем основные уравнения для движения массы.

1.Основное дифференциальное уравнение управления (ОДУУ) :

(1.19)

где

V – скорость тела – потенциал системы, измеряемый в метр/секунда;

τ - время, измеряемое как интервал – в секундах;

R_L – сопротивление движению тела, измеряемое в единицах скорости:

С_L – ёмкость движения тела, измеряемая в секунда²/метр.

Уравнение (1.19 ) выражает накопительную отрицательную обратную связь (НООС). Также уравнение (1.19) –это уравнение для релаксации инерционного заряда, описывает процесс инерционного спадания скорости, при движении тела в условиях сопротивления движению. Преобразование уравнения (1.19) приводит к второму и третьему закону Ньютона. Уравнение (1.19) в преобразованном виде:

(1.20)

Таким образом, 2-й и 3-й законы Ньютона – это уравнение для системы с НООС (см. (1.19)). Второй закон Ньютона описывается уравнением (1.20), причём знак «-» в этом уравнении отражает третий закон Ньютона.

В условиях существования сопротивления движению не может быть бесконечного инерциального движения, поэтому первый закон Ньютона описывается решением уравнения (1.19), см. (1.21):

(1.21)

В отличии от Ньтоновской формулировки, закон об инерциальном движении изменён и теперь он соответствует уравнению (1.21).

Тело движется равномерно и прямолинейно, если нет препятствия среды (трения) к движению. При воздействии трения, Скорость должна экспоненциально убывать во времени в процессе релаксации. Для того, чтобы было вечное, не убывающее движение по инерции, необходимо чтобы постоянная времени равнялась:

(1.22),

то есть, имела бесконечную величину.

Тогда :

(1.23)

Или

(1.24)

Это значит, что скорость от времени не зависит, и всегда равна начальной скорости.

Уравнение (1.19) имеет другой вид, при записи через массу:

(1.25)

Отсюда следует:

(1.26)

Можно сделать вывод: движение будет бесконечным в двух случаях:

если:

,

и если:

2.Закон для инерционного тока . Инерционный ток выражен через потенциал системы V:

(1.27)

где

I_L – инерционный ток, измеряется в безразмерных единицах;

V - V₀ – разность скоростей – потенциал системы, измеряемый в метр/секунда;

V₀ – начальная скорость;

R_L – сопротивление движению тела, измеряемое в единицах скорости.

Сохраняемой величиной для магнитной физической системы является величина импульса движения. Закон сохранения импульса:

(1.28)

где m – масса;

V – скорость;

F – сила.

Множитель m (масса) для сохраняемой величины имеет вид:

(1.29)

где

m – масса;

R_L – сопротивление движению тела, измеряемое в единицах скорости:

С_L – ёмкость движения тела, измеряемая в секунда²/метр.

R_N – сопротивление упругости (силе), измеряемое в килограмм/секунда.

Величина m•V определяет импульс движения тела, и является сохраняемой величиной. Для одного и того же импульса:

(1.30)

В механической иерархии энергий есть ещё одна двухуровневая физическая система: называемая двухуровневая физической системой упругости. Эта система включает в себя 2-й и 3-й уровни механической иерархии энергий (см. рис. 1.9.).

Рис. 1.9. Двухуровневая физическая система упругости в механической иерархии энергий.

Двухуровневую физическую систему упругости нужно исследовать более подробно, потому как на рисунке 1.9. мы видим: 3 пустых прямоугольника. То же самое касается и диффузии (рис. 1.7.).

Получается, что двухуровневых физических систем достаточно много. Их хватит на целый учебник физики.