Zasada wzajemności (fizyka)

Z Wikipedii

Zasada wzajemności - ogólne prawo fizyczne dotyczące wzajemnej relacji zjawisk prostych i odwrotnych

Stwierdza, że jeśli istnieje jakieś zjawisko proste (przyczyna A wywołuje skutek B), to istnieje także zjawisko odwrotne (przyczyna B wywoła skutek A).

By opisać nietrywialne przykłady tej wzajemnoj relacji wyróżnimy najpierw dwa rodzaje zjawisk:

Zjawisko główne - takie zjawisko fizyczne, w którym przyczyna wywołuje skutek tej samej natury fizycznej. Np. wydłużanie się drutu pod wpływem siły rozciągającej, przyrost temperatury w wyniku ogrzewania, przepływ ciepła wskutek różnicy temperatur, przepływ prądu elektrycznego pod wpływem przyłożonego napięcia.

Zjawisko sprzężone - takie zjawisko fizyczne, w którym przyczyna wywołuje skutek innej natury fizycznej. Np. rozszerzanie się drutu wskutek ogrzewania, przyrost temperatury drutu wskutek jego rozciągania, przepływ ciepła wskutek działąnia przyczyn natury nietermicznej, przepływ prądu elektrycznego wskutek działania przyczyn natury nieelektrycznej.

Oczywiście widać, że zjawiskom głównym towarzyszą zjawiska sprzężone, np. rozciąganiu drutu towarzyszy zarówno przyrost temperatury drutu jak i jego wydłużanie się.

Spis treści 1 Przykłady 2 Wybrane zjawiska sprzężone 2.1 Zjawiska sprzężone kwazistatyczne (odwracalne) 2.2 Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące przy braku obecności pola magnetycznego. 2.3 Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące w obecności pola magnetycznego.

[edytuj] Przykłady

Załóżmy, że podgrzewamy metalowy drut, nie tylko zwiększy się jego temperatura (zjawisko główne), zwiększy się także jego długość (zjawisko sprzężone). Zgodnie z zasadą wzajemności można oczekiwać, że rozciągając drut (przykładając siłę), nie tylko wydłuży się (zjawisko główne) ale i ogrzeje – nastąpi przemiana energii mechanicznej na cieplną (zjawisko sprzężone).

Możemy więc powiedzieć, że wydłużenie wskutek ogrzania jest zjawiskiem prostym, a ogrzanie wskutek rozciągnięcia – zjawiskiem odwrotny (kwestia określenia tego co jest “proste”, a co “odwrotne” jest oczywiście sprawą konwencji).

Inny przykład: odkształcając ciało zauważamy, że wytwarza się w nim różnica potencjałów – pole elektryczne (zjawisko proste), jednocześnie przykładając pole elektryczne do tego ciała możemy, znów, zgodnie z zasadą wzajemności, oczekiwać, że wywołamy jego odkształcenie (zjawisko odwrotne). Jeśli odkształcenia te są proporcjonalne do natężenia pola elektrycznego, co ma miejsce tylko w przypadku tzw. piezoelektryków, to mówimy odpowiednio o efektach piezoelektrycznym prostym i odwrotnym. Oprócz tej specjalnej grupy materiałów, wszystkie ciała odkształcają się proporcjonalnie do kwadratu natężenia pola. Zjawisko to nazywa się elektrostrykcją i jest jednak na ogół bardzo słabo widoczne.

[edytuj] Wybrane zjawiska sprzężone

W poniższych tabelach jednakowym kolorem oznaczono zjawiska sprzężone. Na przekątnych znajdują się zjawiska główne, tzn. nie posiadające sprzężonego z nim zjawiska odwrotnego.

[edytuj] Zjawiska sprzężone kwazistatyczne (odwracalne)

SKUTEK	PRZYCZYNA
	SIŁA (wytwarzanie naprężeń)	CIEPŁO (ogrzewanie lub oziębianie)	POLE ELEKTRYCZNE (statyczne)	POLE MAGNETYCZNE (statyczne)
ZMIANA KSZTAŁTU I ROZMIARU	efekt sprężysty	rozszerzalność cieplna (odwrotny efekt piezokaloryczny)	1) odwrotny efekt piezoelektryczny 2) elektrostrykcja (odwrotny efekt elektrosprężysty)	1) odwrotny efekt piezomagnetyczny 2) magnetostrykcja (odwrotny efekt magnetosprężysty)
ZMIANA TEMPERATURY	efekt piezokaloryczny (odwrotny do rozszerzalności cieplnej)	pojemność cieplna	efekt elektrokaloryczny (odwrotny efekt piroelektryczny)	efekt magnetokaloryczny (odwrotny efekt piromagnetyczny)
ZMIANA STANU POLARYZACJI DIELEKTRYCZNEJ	1) efekt piezoelektryczny (prosty) 2) efekt elektrospręzysty (odwrotny do elektrostrykcji)	efekt piroelektryczny (odwrotny efekt elektrokaloryczny)	polaryzacja dielektryczna	(nie zaobserwowano)
ZMIANA STANU NAMAGNESOWANIA	1) efekt piezomagnetyczny (prosty) 2) efekt magnetosprężysty (odwrotny do magnetostrykcji)	efekt piromagnetyczny (odwrotny efekt magnetokaloryczny)	(nie zaobserwowano)	magnesowanie

---

[edytuj] Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące przy braku obecności pola magnetycznego.

SKUTEK	PRZYCZYNA
	różnica potencjałów	różnica temperatur
przepływ prądu	przewodnictwo elektryczne	efekt Thomsona
przepływ ciepła	efekt Peltiera	przewodnictwo cieplne

---

[edytuj] Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące w obecności pola magnetycznego.

SKUTEK	PRZYCZYNA
	różnica potencjałów	różnica temperatur
przepływ prądu	efekt Halla	efekt Nernsta
przepływ ciepła	efekt Ettingshausena	efekt Righi-Leduca