Kobling (fysikk) - Coupling (physics)

I fysikk , har to gjenstander sies å koples når de er i kontakt med hverandre. I klassisk mekanikk er kobling en forbindelse mellom to oscillerende systemer, for eksempel pendler forbundet med en fjær. Forbindelsen påvirker det oscillerende mønsteret til begge objektene. I partikkelfysikk er to partikler koblet sammen hvis de er forbundet med en av de fire grunnleggende kreftene .

Bølgemekanikk

Koblet harmonisk oscillator

Koblede pendler forbundet med en fjær

Hvis to bølger er i stand til å overføre energi til hverandre, sies det at disse bølgene er "koblet". Dette skjer normalt når bølgene deler en felles komponent. Et eksempel på dette er to pendler forbundet med en fjær . Hvis pendulene er identiske, blir bevegelsesligningene gitt av

${\ displaystyle m {\ ddot {x}} = - mg {\ frac {x} {l_ {1}}} - k (xy)}$

${\ displaystyle m {\ ddot {y}} = - mg {\ frac {y} {l_ {2}}} + k (xy)}$

Disse ligningene representerer den enkle harmoniske bevegelsen til pendelen med en ekstra koblingsfaktor på fjæren. Denne oppførselen sees også i visse molekyler (som CO ₂ og H ₂ O), hvor to av atomene vil vibrere rundt en sentral på en lignende måte.

Koblede LC-kretser

To LC-kretser koblet sammen.

I LC-kretser lades oscillater mellom kondensatoren og induktoren, og kan derfor modelleres som en enkel harmonisk oscillator. Når magnetstrømmen fra en induktor er i stand til å påvirke induktansen til en induktor i en ikke-tilkoblet LC-krets, sies kretsene å være koblet. Koblingskoeffisienten k definerer hvor tett de to kretsene er koblet og er gitt av ligningen

${\ displaystyle {\ frac {M} {\ sqrt {L_ {p} L_ {s}}}} = k}$

Hvor M er den gjensidige induktans av de kretser og L _p og L _s er induktansene primær- og sekundærkretser, henholdsvis. Hvis flukselinjene til den primære induktoren tråder hver linje i den sekundære, er koblingskoeffisienten 1 og i praksis er det imidlertid ti lekkasjer , så de fleste systemene er ikke perfekt koblet. ${\ displaystyle M = {\ sqrt {L_ {p} L_ {s}}}}$

Topper i et NMR-bilde av etylacetat.

Kjemi

Spinn-spinn-kobling

Spinn-spinn-kobling oppstår når magnetfeltet til et atom påvirker magnetfeltet til et annet nærliggende atom. Dette er veldig vanlig i NMR-avbildning . Hvis atomene ikke er koblet, vil det være to individuelle topper , kjent som en dublett, som representerer de enkelte atomer. Hvis kobling er til stede, vil det være en triplett, en større topp med to mindre til hver side. Dette skjer på grunn av at de enkelte atomer snurrer i tandem.

Astrofysikk

Objekter i rommet som er koblet til hverandre er under gjensidig påvirkning av hverandres tyngdekraft . For eksempel er jorden koblet til både solen og månen, da den er under gravitasjonspåvirkning fra begge. Vanlig i rommet er binære systemer , to gjenstander gravitasjonskoblet til hverandre. Eksempler på dette er binære stjerner som sirkler hverandre. Flere gjenstander kan også kobles til hverandre samtidig, for eksempel med kulehoper og galaksegrupper . Når mindre partikler, for eksempel støv, som er koblet sammen over tid, akkumuleres til mye større gjenstander, forekommer akkresjon . Dette er den viktigste prosessen der stjerner og planeter dannes.

Plasma

Koblingskonstanten til et plasma er gitt ved forholdet mellom den gjennomsnittlige Coulomb-interaksjonenergien og den gjennomsnittlige kinetiske energien — eller hvor sterkt den elektriske kraften til hvert atom holder plasmaet sammen. Plasmas kan derfor kategoriseres i svakt og sterkt koblede plasmaer avhengig av verdien av dette forholdet. Mange av de typiske klassiske plasmaene, som plasma i solkoronaen , er svakt koblet, mens plasmaet i en hvit dvergstjerne er et eksempel på et sterkt koblet plasma.

Kvantemekanikk

To koblede kvantesystemer kan modelleres av en Hamiltonian av formen

Dispersjonsforhold for ikke-koblede, svakt koblede og sterkt koblede partikler

${\ displaystyle {\ hat {H}} = {\ hat {H}} _ {a} + {\ hat {H}} _ {b} + {\ hat {V}} _ {ab}}$

som er tilsetningen av de to Hamiltonianerne i isolasjon med en ekstra interaksjonsfaktor. I de fleste enkle systemer, og kan løses nøyaktig mens de kan løses gjennom forstyrrelsesteori . Hvis de to systemene har tilsvarende total energi, kan systemet gjennomgå Rabi-svingning . ${\ displaystyle {\ hat {H}} _ {a}}$ ${\ displaystyle {\ hat {H}} _ {b}}$ ${\ displaystyle {\ hat {V}} _ {ab}}$

Vinkelmomentkobling

Når vinkelmomenter fra to separate kilder samhandler med hverandre, sies det at de er koblet. For eksempel kan to elektroner som kretser rundt den samme kjernen ha koblet vinkelmoment. På grunn av bevaringen av vinkelmomentet og naturen til vinkelmomentoperatøren , er det totale vinkelmomentet alltid summen av elektronenes individuelle vinkelmoment, eller

${\ displaystyle \ mathbf {J} = \ mathbf {J_ {1}} + \ mathbf {J_ {2}}}$

Spin-Orbit-interaksjon (også kjent som spin-orbit-kobling) er et spesielt tilfelle av vinkelmomentkobling. Nærmere bestemt er det interaksjonen mellom den indre spinne til en partikkel, S , og dets kretsende vinkel-bevegelsesmengde, L . Siden de begge er former for vinkelmoment, må de konserveres. Selv om energien blir overført mellom de to, det samlede spinn, J , av systemet må være konstant, . ${\ displaystyle \ mathbf {J} = \ mathbf {L} + \ mathbf {S}}$

Partikkelfysikk og kvantefeltsteori

Eksempler på limkobling

Partikler som samhandler med hverandre sies å være koblet. Denne interaksjonen er forårsaket av en av de grunnleggende kreftene, hvis styrker vanligvis er gitt av en dimensjonsløs koblingskonstant . I kvanteelektrodynamikk er denne verdien kjent som finstrukturskonstanten α, omtrent lik 1/137. For kvantekromodynamikk endres konstanten med hensyn til avstanden mellom partiklene. Dette fenomenet er kjent som asymptotisk frihet . Krefter som har en koblingskonstant større enn 1 sies å være "sterkt koblet" mens de med konstanter mindre enn 1 sies å være "svakt koblet."

Referanser

^ ^a ^b ^c ^d Pain, HJ (1993). The Physics of Vibrations and Waves, Fjerde utgave . West Sussex, England: Wiley. ISBN 0 471 93742 8 .
^ "5.5 Spin-Spin Coupling" . Kjemi Libretexts . 2015-07-21 . Hentet 13. april 2017 .
^ Kaufmann, William (1988). Universe, andre utgave . WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-1927-4 .
^ ^a ^b Ichimaru, Setsuo (1986). Plasmafysikk . Menlo Park, California: Benjamin / Cumming Publishing Company. ISBN 978-0-8053-8754-4 .
^ ^a ^b Hagelstein, Peter; Senturia, Stephen; Orlando, Terry (2004). Innledende anvendt kvante- og statistisk mekanikk . Hoboken, New Jersey: Wiley. ISBN 978-0-471-20276-9 .
^ ^a ^b ^c Merzbacher, Eugene (1998). Quantum Mechanics, tredje utgave . Wiley. ISBN 978-0-471--88702-7 .
^ Griffiths, David (2010). Elementary Particle-Second, Revised Edition . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2 .

[:0-1] Pain, HJ (1993). The Physics of Vibrations and Waves, Fjerde utgave . West Sussex, England: Wiley. ISBN 0 471 93742 8 .

[2] "5.5 Spin-Spin Coupling" . Kjemi Libretexts . 2015-07-21 . Hentet 13. april 2017 .

[3] Kaufmann, William (1988). Universe, andre utgave . WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-1927-4 .

[:1-4] Ichimaru, Setsuo (1986). Plasmafysikk . Menlo Park, California: Benjamin / Cumming Publishing Company. ISBN 978-0-8053-8754-4 .

[:2-5] Hagelstein, Peter; Senturia, Stephen; Orlando, Terry (2004). Innledende anvendt kvante- og statistisk mekanikk . Hoboken, New Jersey: Wiley. ISBN 978-0-471-20276-9 .

[:3-6] Merzbacher, Eugene (1998). Quantum Mechanics, tredje utgave . Wiley. ISBN 978-0-471--88702-7 .

[7] Griffiths, David (2010). Elementary Particle-Second, Revised Edition . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2 .

Languages

In other projects