В физических теориях пробная частица или пробный заряд — это идеализированная модель объекта, физические свойства которого (обычно масса , заряд или размер ) считаются незначительными, за исключением изучаемого свойства, которое считается недостаточным для того, чтобы изменить поведение остальной части системы. Концепция пробной частицы часто упрощает проблемы и может обеспечить хорошее приближение физических явлений. Помимо использования для упрощения динамики системы в определенных пределах, он также используется в качестве диагностики при компьютерном моделировании физических процессов.
Самый простой случай применения пробной частицы возникает в ньютоновской гравитации . Общее выражение силы гравитации между любыми двумя точечными массами и :
где и представляют положение каждой частицы в пространстве. В общем решении этого уравнения обе массы вращаются вокруг своего центра масс R , в данном конкретном случае: [1]
В случае, когда одна из масс значительно больше другой ( ), можно предположить, что меньшая масса движется как пробная частица в гравитационном поле , создаваемом большей массой, которая не ускоряется. Мы можем определить гравитационное поле как
где — расстояние между массивным объектом и пробной частицей, а — единичный вектор в направлении от массивного объекта к пробной массе. Второй закон Ньютона движения меньшей массы сводится к
и, следовательно, содержит только одну переменную, для которой решение можно вычислить проще. Этот подход дает очень хорошие аппроксимации для многих практических задач, например, орбит спутников , масса которых относительно мала по сравнению с массой Земли .
В моделировании электрических полей наиболее важными характеристиками пробной частицы являются ее электрический заряд и масса . В этой ситуации его часто называют испытательным зарядом .
Как и в случае классической гравитации, электрическое поле, создаваемое точечным зарядом q , определяется выражением
где k — постоянная Кулона .
Умножение этого поля на пробный заряд дает электрическую силу ( закон Кулона ), действующую полем на пробный заряд. Обратите внимание, что и сила , и электрическое поле являются векторными величинами, поэтому на положительный пробный заряд будет действовать сила, направленная в направлении электрического поля.
В метрических теориях гравитации, особенно в общей теории относительности , пробная частица представляет собой идеализированную модель небольшого объекта, масса которого настолько мала, что она не оказывает заметного воздействия на окружающее гравитационное поле .
Согласно уравнениям поля Эйнштейна , гравитационное поле локально связано не только с распределением негравитационной массы-энергии , но также с распределением импульса и напряжения (например, давления, вязких напряжений в идеальной жидкости ).
В случае тестовых частиц в вакуумном растворе или электровакуумном растворе это означает, что в дополнение к приливному ускорению, испытываемому небольшими облаками тестовых частиц (вращающихся или нет), вращающиеся тестовые частицы могут испытывать дополнительные ускорения из-за вращения. вращательные силы. [2]