Zasada wzajemności (fizyka)

Ten artykuł od 2012-10 wymaga zweryfikowania podanych informacji. Należy podać wiarygodne źródła, najlepiej w formie przypisów bibliograficznych. Część lub nawet wszystkie informacje w artykule mogą być nieprawdziwe. Jako pozbawione źródeł mogą zostać zakwestionowane i usunięte. Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu. Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

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

Stwierdza ono, 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 wzajemnej 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 działania przyczyn natury nietermicznej, przepływ prądu elektrycznego wskutek działania przyczyn natury nieelektrycznej.

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

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 odwrotnym (kwestia określenia tego co jest „proste”, a co „odwrotne” jest 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.

Wybrane zjawiska sprzężone

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

Zjawiska sprzężone kwazistatyczne (odwracalne)

Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące przy braku obecności pola magnetycznego

Zjawiska sprzężone nieodwracalne występujące w obecności pola magnetycznego