Elektrodynamika

Wyjaśniamy, jaka jest elektrodynamika, jej historia, podstawy, główne prawa i zastosowania

Co to jest elektrodynamika?

elektrodynamika Jest to gałąź fizyki, która uczęszcza na wszystko związane z ruchem ładunków elektrycznych. Opisz, jaka ewolucja w czasie zbioru n cząstek o masie i ładunku elektrycznym jest znana jej początkowa pozycja i prędkość.

Jeśli jest to duży zestaw cząstek z pęd Mały, ich ruch i interakcje między nimi opisano makroskopowo za pomocą klasycznej elektrodynamiki, która wykorzystuje prawa Newtona ruchu i praw Maxwella.

A jeśli pęd cząstek jest duży, a liczba cząstek jest niewielka, należy wziąć pod uwagę efekty relatywistyczne i kwantowe.

Dodaj efekty relatywistyczne i kwantowe do badania systemu, zależy od energii fotonów zaangażowanych podczas interakcji. Fotony są cząsteczkami bez obciążenia lub masy (do celów praktycznych), które są wymieniane, ilekroć występuje przyciąganie lub odpychanie elektryczne.

Jeśli pęd fotonów jest niewielki, w porównaniu z pędem systemu, klasyczny opis jest wystarczający do uzyskania charakterystyki tego.

Krótka historia elektrodynamiki

Prawa opisujące dynamikę naładowanych cząstek zostały odkryte między końcem XVIII i połowy wieku, kiedy powstaje koncepcja prądu elektrycznego, w wyniku pracy eksperymentalnej i teoretycznej wielu naukowców.

Włoski fizyk Alessandro Volta (1745–1827) wyprodukował pierwszy stos woltowy na początku XIX wieku. Z nim uzyskał ciągły prąd, którego efekty zaczęły być natychmiast badane.

Ilustracja Alessandro Volta

Związek między ruchomymi ładunkami elektrycznymi a magnetyzmem ujawniono w eksperymentach fizyka Hansa Christian Oersteda (1777–1851) w 1820 r. W nich zaobserwowano, że prąd elektryczny był w stanie poruszyć igły kompasu w taki sam sposób, jak magnesy.

To André Marie Ampere (1775–1836) ustanowił w matematyczny sposób związek między obecnym a magnetyzmem, poprzez prawo, które nosi jego imię.

Jednocześnie Georg Simon Ohm (1789-1854) ilościowo badał sposób, w jaki materiały prowadzą energię elektryczną. Opracował także koncepcję oporu elektrycznego i jej związku z napięciem i prądem, poprzez prawo Ohma dla obwodów.

Może ci służyć: stacjonarna teoria stanu: historia, wyjaśnienie, wiadomości

Michael Faraday (1791–1867) znalazł sposób na wygenerowanie prądu poprzez względny ruch między źródłem pola magnetycznego a obwodem zamkniętym.

Jakiś czas później fizyk James Clerk Maxwell (1831–1879) stworzył teorię elektromagnetyzmu, która zjednoczyła wszystkie odkryte prawa, wyjaśniając zjawiska znane do tego czasu.

Ponadto, poprzez swoje równania, Maxwell przewidział kilka efektów, które zostały później potwierdzone. Na przykład, gdy Heinrich Hertz (1857-1894), odkrywca fal radiowych, zweryfikował, że poruszyli się z prędkością światła.

Wraz z nadejściem teorii względności, na początku XX wieku, można było wyjaśnić zachowanie cząstek o prędkościach bliskich światła. Tymczasem mechanika kwantowa dopracowała elektrodynamikę, wprowadzając pojęcie spinu i wyjaśniając pochodzenie magnetyzmu w sprawie.

Podstawy elektrodynamiki

Elektrodynamika zajmuje się badaniem ruchomych obciążeń

Elektrodynamika opiera się na czterech przepisach, które są znane jako: prawo Coulomba, prawo Gaussa, prawo ampere i prawo Faraday.

Te cztery przepisy oraz zasada zachowania obciążenia, która wywodzi się z nich i prawa siły Lorentza, opisują, w jaki sposób ładunki elektryczne oddziałują z klasycznego punktu widzenia (bez uwzględnienia fotonu jako mediatora).

Jeśli prędkość cząstek jest zbliżona do prędkości światła, jego zachowanie jest modyfikowane i konieczne jest dodanie do teorii klasycznej niektóre relatywistyczne poprawki, które wynikają z teorii względności Alberta Einsteina (Elektrodynamika relatywistyczna).

A gdy skala zjawisk do badania jest skala atomowa lub mniejsza, efekty kwantowe mają znaczenie, co daje powstanie Elektrodynamika kwantowa.

Podstawy matematyczne elektrodynamiki

Matematyka niezbędna do badania elektrodynamiki to wektorowa algebra i obliczenia wektorowe, ponieważ pola elektryczne i magnetyczne są istotami o charakterze wektorowym. Uczestniczą również pola skalarne, takie jak potencjał elektryczny i strumień magnetyczny.

Może ci służyć: optyka geometryczna: jakie badania, prawa, zastosowania, ćwiczenia

Operatorzy matematyczni dla osób pochodzących z funkcji wektorowych są:

• Gradient.
• Rozbieżność.
• Rotacyjny.
• Laplaciano.

Układy współrzędnych są wymagane do rozdzielczości Maxwell. Oprócz współrzędnych kartezjańskich częste jest stosowanie cylindrycznych współrzędnych i współrzędnych sferycznych.

W integracji pojawiają się twierdzenia zielonego, Stokesa i Twierdzenie o rozbieżności.

Wreszcie istnieje funkcja o nazwie Dirac Delta, który jest zdefiniowany przez jego właściwości i jest bardzo przydatny do wyrażania rozkładów ładowania ograniczonego do określonego wymiaru, na przykład liniowego, powierzchownego rozkładu, punktu lub płaszczyzny.

Fale elektromagnetyczne

Pochodzenie fal elektromagnetycznych jest w obciążeniach elektrycznych, których ruch jest przyspieszany. Zmienny prąd elektryczny w czasie, wytwarza pole elektryczne, opisane przez funkcję wektora I (x, y, z, t) i z kolei wytwarza pole magnetyczne B (X, y, z, t).

Te pola są łączone w celu utworzenia pola elektromagnetycznego, w którym pole elektryczne pochodzi z pola magnetycznego i odwrotnie.

Prawa elektrodynamiczne

Gdy ładunki elektryczne są statyczne, wśród nich występuje przyciąganie elektrostatyczne lub odpychanie, podczas gdy interakcja magnetyczna wynika z ruchu obciążeń.

Cztery równania Maxwella dotyczą każdego z pól do ich źródła i wraz z siłą Lorentza stanowią teoretyczne podstawy elektrodynamiki.

Pamiątkowa tablica z równaniami Maxwella (pod względem różnicowych operatorów), która jest częścią posągu wzniesionego w Edynburgu na cześć szkockiego fizyka. Źródło: Wikimedia Commons.

Prawo Gaussa

Przepływ pola elektrycznego, który wychodzi z objętości zamkniętej przez zamkniętą powierzchnię, jest proporcjonalny do załączonego obciążenia netto:

Gdzie DDO Jest to różnica obszaru i k Jest to stała elektrostatyczna. To prawo jest konsekwencją prawa kulombowskiego dla siły między ładunkami elektrycznymi.

Gauss prawo magnetyzmu

Przepływ pola magnetycznego przez objętość ograniczoną przez zamkniętą powierzchnię S jest zerowa, ponieważ monopole magnetyczne nie istnieją.

W związku z tym, dopóki magnes jest ograniczony w objętości wyznaczonej przez S, liczba linii pola do S jest równa liczbie wychodzących linii:

Może ci służyć: dźwignia ramię

Prawo Faraday

Michael Faraday odkrył, że względny ruch między zamkniętym metalowym spazem C a magnesem generuje indukowany prąd. Indukowane napięcie (siła elektromotoryczna) ε_Ind, związany z tym prądem, jest proporcjonalny do tymczasowej pochodnej strumienia magnetycznego φ_B który przecina obszar ograniczony przez La Espira:

Mniejszy znak to prawo Lenza, co wskazuje, że indukowane napięcie sprzeciwia się zmiany przepływu, który go wytwarza. Ale indukowana siła elektromotoryczna jest zintegrowaną linią pola elektrycznego wzdłuż zamkniętej drogi C, dlatego:

AMPERE-MAXWELL PRAWO

Krążenie pola magnetycznego na krzywej C jest proporcjonalne do całkowitego prądu, który otacza krzywą. Istnieją dwa wkłady: prąd przewodzenia I i prąd przemieszczenia powstały przez zmienność w czasie przepływu elektrycznego φ_I:

Gdzie μ_albo i ε_albo Są stałe, pierwszy to Przepuszczalność próżni A drugi Możliwość elektryczna.

LAW LORENTZ

Równania Maxwella opisują związek między I, B i ich odpowiednie źródła, ale dynamika ładunku elektrycznego opisuje prawo Lorentza lub prawo Lorentza.

Wskazuje, że całkowita siła, która działa na obciążenie Q który porusza się z prędkością v W środku pola elektrycznego I i pole magnetyczne B (nie wyprodukowane przez Q) jest dany przez:

F = qI + Qv X B

Zastosowania elektrodynamiczne

Zamawiane obciążenia ruchome stanowią prąd elektryczny, który jest w stanie generować energię do wykonywania przydatnej pracy: żarówki, przenoszenie silników, w skrócie, uruchom wiele urządzeń.

Rozkład energii elektrycznej

Elektrodynamika umożliwia przenoszenie energii elektrycznej poprzez prąd naprzemiennie, z odległych miejsc, w których energia jest przekształcana i generowana, po miasta, branże i gospodarstwa domowe.

elektronika

Mając jako cel badanie obciążeń ruchomych, elektrodynamika jest fizyczną podstawą elektroniki, która zajmuje się projektowaniem urządzeń, które poprzez obwody elektroniczne wykorzystują przepływ obciążeń elektrycznych do generowania, transmisji, odbierania, odbierania i przechowywania sygnałów elektromagnetycznych zawierać informacje.

Bibliografia

1. Cosenza, m. Elektromagnetyzm. University of the Andes.
2. Díaz, r. Elektrodynamika: notatki klasowe. National University of Kolumbia.
3. Figueroa, zm. (2005). Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 6. Elektromagnetyzm. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klasyczna elektrodynamika. 3. Wyd. Wiley.
5. Tarazona, c. Wprowadzenie do elektrodynamiki. Uniwersytet redakcyjny Manuela Beltrán.