¿Para qué estado juega un papel importante la electrodinámica? Electrodinámica, fórmulas.
DEFINICIÓN
Los campos electromagnéticos y las interacciones electromagnéticas se estudian en una rama de la física llamada electrodinámica.
La electrodinámica clásica estudia y describe las propiedades de los campos electromagnéticos. Examina las leyes por las cuales los campos electromagnéticos interactúan con los cuerpos con carga eléctrica.
Conceptos básicos de electrodinámica.
La base de la electrodinámica de un medio estacionario son las ecuaciones de Maxwell. La electrodinámica opera con conceptos tan básicos como campo electromagnético, carga eléctrica, potencial electromagnético y vector de Poynting.
Un campo electromagnético es un tipo especial de materia que se manifiesta cuando un cuerpo cargado interactúa con otro. A menudo, al considerar un campo electromagnético, se distinguen sus componentes: campo eléctrico y campo magnético. Un campo eléctrico crea una carga eléctrica o un campo magnético alterno. Un campo magnético surge cuando una carga (cuerpo cargado) se mueve y en presencia de un campo eléctrico que varía en el tiempo.
El potencial electromagnético es una cantidad física que determina la distribución del campo electromagnético en el espacio.
La electrodinámica se divide en: electrostática; magnetostática; electrodinámica del continuo; Electrodinámica relativista.
El vector de Poynting (vector de Umov-Poynting) es una cantidad física que es el vector de la densidad de flujo de energía del campo electromagnético. La magnitud de este vector es igual a la energía que se transfiere por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie que es perpendicular a la dirección de propagación de la energía electromagnética.
La electrodinámica constituye la base para el estudio y desarrollo de la óptica (como rama de la ciencia) y la física de las ondas de radio. Esta rama de la ciencia es la base de la ingeniería radioeléctrica y la ingeniería eléctrica.
La electrodinámica clásica, al describir las propiedades de los campos electromagnéticos y los principios de su interacción, utiliza el sistema de ecuaciones de Maxwell (en forma integral o diferencial), completándolo con un sistema de ecuaciones materiales, condiciones iniciales y de frontera.
Las ecuaciones estructurales de Maxwell.
El sistema de ecuaciones de Maxwell tiene el mismo significado en electrodinámica que las leyes de Newton en mecánica clásica. Las ecuaciones de Maxwell se obtuvieron como resultado de la generalización de numerosos datos experimentales. Se distinguen las ecuaciones estructurales de Maxwell, escribiéndolas en forma integral o diferencial, y las ecuaciones materiales, que conectan vectores con parámetros que caracterizan las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.
Ecuaciones estructurales de Maxwell en forma integral (en el sistema SI):
¿Dónde está el vector de intensidad del campo magnético? es el vector de densidad de corriente eléctrica; - vector de desplazamiento eléctrico. La ecuación (1) refleja la ley de creación de campos magnéticos. Un campo magnético ocurre cuando una carga se mueve (corriente eléctrica) o cuando cambia un campo eléctrico. Esta ecuación es una generalización de la ley de Biot-Savart-Laplace. La ecuación (1) se denomina teorema de circulación del campo magnético.
¿Dónde está el vector de inducción del campo magnético? - vector de intensidad del campo eléctrico; L es un circuito cerrado por el que circula el vector de intensidad del campo eléctrico. Otro nombre para la ecuación (2) es ley de inducción electromagnética. La expresión (2) significa que el campo eléctrico del vórtice se genera debido a un campo magnético alterno.
¿Dónde está la carga eléctrica? - cargar densidad. La ecuación (3) se denomina teorema de Ostrogradsky-Gauss. Las cargas eléctricas son fuentes de campo eléctrico; existen cargas eléctricas libres.
La ecuación (4) indica que el campo magnético es un vórtice. Las cargas magnéticas no existen en la naturaleza.
Ecuaciones estructurales de Maxwell en forma diferencial (sistema SI):
¿Dónde está el vector de intensidad del campo eléctrico? - vector de inducción magnética.
¿Dónde está el vector de intensidad del campo magnético? - vector de desplazamiento dieléctrico; - vector de densidad actual.
¿Dónde está la densidad de distribución de carga eléctrica?
Las ecuaciones estructurales de Maxwell en forma diferencial determinan el campo electromagnético en cualquier punto del espacio. Si las cargas y las corrientes se distribuyen continuamente en el espacio, entonces las formas integral y diferencial de las ecuaciones de Maxwell son equivalentes. Sin embargo, si hay superficies de discontinuidad, entonces la forma integral de escribir las ecuaciones de Maxwell es más general.
Para lograr la equivalencia matemática de las formas integral y diferencial de las ecuaciones de Maxwell, la notación diferencial se complementa con condiciones de contorno.
De las ecuaciones de Maxwell se deduce que un campo magnético alterno genera un campo eléctrico alterno y viceversa, es decir, estos campos son inseparables y forman un único campo electromagnético. Las fuentes del campo eléctrico pueden ser cargas eléctricas o un campo magnético variable en el tiempo. Los campos magnéticos se excitan mediante cargas eléctricas en movimiento (corrientes) o campos eléctricos alternos. Las ecuaciones de Maxwell no son simétricas con respecto a los campos eléctricos y magnéticos. Esto sucede porque existen cargas eléctricas, pero no cargas magnéticas.
Ecuaciones de materiales
El sistema de ecuaciones estructurales de Maxwell se complementa con ecuaciones de materiales que reflejan la relación de los vectores con parámetros que caracterizan las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.
donde es la constante dieléctrica relativa, es la permeabilidad magnética relativa, es la conductividad eléctrica específica, es la constante eléctrica, es la constante magnética. El medio en este caso se considera isotrópico, no ferromagnético ni ferroeléctrico.
Ejemplos de resolución de problemas
EJEMPLO 1
| Ejercicio | Derive la forma diferencial de la ecuación de continuidad del sistema de ecuaciones de Maxwell. |
| Solución | Como base para resolver el problema utilizamos la ecuación: donde es el área de una superficie arbitraria sobre la que descansa el contorno cerrado L. De (1.1) tenemos: Considere un contorno infinitesimal, entonces
Como la superficie es cerrada, la expresión (1.2) se puede reescribir como:
Escribamos otra ecuación de Maxwell:
Diferenciamos la ecuación (1.5) con respecto al tiempo, tenemos: Teniendo en cuenta la expresión (1.4), la ecuación (1.5) se puede presentar como: Hemos obtenido la ecuación de continuidad (1.5) en forma integral. Para pasar a la forma diferencial de la ecuación de continuidad, vayamos al límite: Hemos obtenido la ecuación de continuidad en forma diferencial: |
FUNDAMENTOS DE ELECTRODINÁMICA. ELECTROSTÁTICA
FUNDAMENTOS DE ELECTRODINÁMICA
Electrodinámica- la ciencia de las propiedades del campo electromagnético.
Campo electromagnetico- determinado por el movimiento y la interacción de partículas cargadas.
Manifestación del campo eléctrico/magnético.- esta es la acción de las fuerzas eléctricas/magnéticas:
1) fuerzas de fricción y fuerzas elásticas en el macrocosmos;
2) la acción de fuerzas eléctricas/magnéticas en el microcosmos (estructura atómica, acoplamiento de átomos en moléculas,
transformación de partículas elementales)
Descubrimiento del campo eléctrico/magnético- J. Maxwell.
ELECTROSTÁTICA
La rama de la electrodinámica estudia los cuerpos cargados eléctricamente en reposo.
Partículas elementales puede tener correo electrónico cargan, entonces se les llama cargados;
- interactuar entre sí con fuerzas que dependen de la distancia entre las partículas,
pero excede muchas veces las fuerzas de gravedad mutua (esta interacción se llama
electromagnético).
Correo electrónico cargar- físico El valor determina la intensidad de las interacciones eléctricas/magnéticas.
Hay 2 signos de cargas eléctricas: positivo y negativo.
Las partículas con cargas similares se repelen y las partículas con cargas diferentes se atraen.
Un protón tiene carga positiva, un electrón tiene carga negativa y un neutrón es eléctricamente neutro.
Carga elemental- un cargo mínimo que no se puede dividir.
¿Cómo podemos explicar la presencia de fuerzas electromagnéticas en la naturaleza?
- Todos los cuerpos contienen partículas cargadas.
En el estado normal del cuerpo, el. neutro (ya que el átomo es neutro) y eléctrico/magnético. Los poderes no se manifiestan.
el cuerpo esta cargado, si tiene exceso de cargas de cualquier signo:
cargado negativamente - si hay un exceso de electrones;
cargado positivamente, si faltan electrones.
Electrificación de cuerpos.- esta es una de las formas de obtener cuerpos cargados, por ejemplo, por contacto).
En este caso, ambos cuerpos están cargados y las cargas tienen signos opuestos, pero iguales en magnitud.
Ley de conservación de la carga eléctrica.
En un sistema cerrado, la suma algebraica de las cargas de todas las partículas permanece sin cambios.
(... pero no el número de partículas cargadas, ya que hay transformaciones de partículas elementales).
Sistema cerrado
Un sistema de partículas en el que las partículas cargadas no entran ni salen del exterior.
ley de Coulomb
Ley básica de la electrostática.
La fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados estacionarios puntuales en el vacío es directamente proporcional
es el producto de los módulos de carga y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
Cuando Los cuerpos se consideran cuerpos puntuales.? - si la distancia entre ellos es muchas veces mayor que el tamaño de los cuerpos.
Si dos cuerpos tienen cargas eléctricas, interactúan según la ley de Coulomb.
Unidad de carga eléctrica
1 C es una carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor en 1 segundo con una corriente de 1 A.
1 C es una carga muy grande.
Carga elemental:
CAMPO ELÉCTRICO
Hay una carga eléctrica alrededor, materialmente.
La principal propiedad del campo eléctrico: la acción de la fuerza sobre la carga eléctrica introducida en él.
Campo electrostático- el campo de una carga eléctrica estacionaria no cambia con el tiempo.
Intensidad del campo eléctrico.- características cuantitativas de el. campos.
es la relación entre la fuerza con la que actúa el campo sobre la carga puntual introducida y la magnitud de esta carga.
- ¡No depende de la magnitud de la carga introducida, sino que caracteriza el campo eléctrico!
Dirección del vector de tensión
coincide con la dirección del vector de fuerza que actúa sobre una carga positiva y opuesta a la dirección de la fuerza que actúa sobre una carga negativa.
Intensidad del campo de carga puntual:
donde q0 es la carga que crea el campo eléctrico.
En cualquier punto del campo, la intensidad siempre se dirige a lo largo de la línea recta que conecta este punto y q0.
CAPACIDAD ELÉCTRICA
Caracteriza la capacidad de dos conductores para acumular carga eléctrica.
- no depende de q y U.
- depende de las dimensiones geométricas de los conductores, su forma, posición relativa, propiedades eléctricas del medio entre los conductores.
Unidades SI: (F - faradio)
CONDENSADORES
Dispositivo eléctrico que almacena carga.
(dos conductores separados por una capa dieléctrica).
Donde d es mucho menor que las dimensiones del conductor.
Designación en esquemas eléctricos:
Todo el campo eléctrico se concentra dentro del condensador.
La carga de un condensador es el valor absoluto de la carga en una de las placas del condensador.
Tipos de condensadores:
1. por tipo de dieléctrico: aire, mica, cerámico, electrolítico
2. según la forma de las placas: plana, esférica.
3. por capacidad: constante, variable (ajustable).
Capacitancia eléctrica de un condensador plano.
donde S es el área de la placa (chapado) del capacitor
d - distancia entre placas
eo - constante eléctrica
e - constante dieléctrica del dieléctrico
Incluir condensadores en un circuito eléctrico.
paralelo
secuencial
Entonces la capacidad eléctrica total (C):
cuando se conecta en paralelo
. 
cuando se conecta en serie
CONEXIONES CC CA
Electricidad- movimiento ordenado de partículas cargadas (electrones o iones libres).
En este caso, la electricidad se transfiere a través de la sección transversal del conductor. carga (durante el movimiento térmico de partículas cargadas, la carga eléctrica total transferida = 0, ya que las cargas positivas y negativas se compensan).
dirección de correo electrónico actual- Se acepta convencionalmente considerar la dirección del movimiento de partículas cargadas positivamente (de + a -).
Acciones de correo electrónico corriente (en conductor):
efecto térmico de la corriente- calentamiento del conductor (excepto superconductores);
efecto químico de la corriente - aparece solo en electrolitos. Las sustancias que componen el electrolito se liberan en los electrodos;
efecto magnético de la corriente(principal): observado en todos los conductores (deflexión de la aguja magnética cerca de un conductor con corriente y efecto de la fuerza de la corriente sobre los conductores vecinos a través de un campo magnético).
LEY DE OHM PARA UNA SECCIÓN DE CIRCUITO
donde R es la resistencia de la sección del circuito. (el conductor en sí también puede considerarse una sección del circuito).
Cada conductor tiene su propia característica específica de corriente-voltaje.
RESISTENCIA
Características eléctricas básicas de un conductor.
- según la ley de Ohm, este valor es constante para un conductor determinado.
1 ohmio es la resistencia de un conductor con una diferencia de potencial en sus extremos.
a 1 V y la corriente en él es 1 A.
La resistencia depende únicamente de las propiedades del conductor:
donde S es el área de la sección transversal del conductor, l es la longitud del conductor,
ro - resistividad que caracteriza las propiedades de la sustancia conductora.
CIRCUITOS ELECTRICOS
Consisten en una fuente, un consumidor de corriente eléctrica, cables y un interruptor.
CONEXIÓN EN SERIE DE CONDUCTORES
I - intensidad actual en el circuito
U - voltaje en los extremos de la sección del circuito
CONEXIÓN EN PARALELO DE CONDUCTORES
I - intensidad de corriente en una sección no ramificada del circuito
U - voltaje en los extremos de la sección del circuito
R - resistencia total de la sección del circuito
Recuerde cómo se conectan los instrumentos de medición:
Amperímetro: conectado en serie con el conductor en el que se mide la corriente.
Voltímetro: conectado en paralelo al conductor en el que se mide el voltaje.
OPERACIÓN CC
Trabajo actual- este es el trabajo del campo eléctrico para transferir cargas eléctricas a lo largo de un conductor;
El trabajo realizado por la corriente en una sección del circuito es igual al producto de la corriente, el voltaje y el tiempo durante el cual se realizó el trabajo.
Usando la fórmula de la ley de Ohm para una sección de un circuito, puede escribir varias versiones de la fórmula para calcular el trabajo de la corriente:
Según la ley de conservación de la energía:
El trabajo es igual al cambio de energía de una sección del circuito, por lo que la energía liberada por el conductor es igual al trabajo de la corriente.
En el sistema SI:
LEY DE JOULE-LENZ
Cuando la corriente pasa a través de un conductor, el conductor se calienta y se produce un intercambio de calor con el medio ambiente, es decir. el conductor desprende calor a los cuerpos que lo rodean.
La cantidad de calor liberada por un conductor que transporta corriente al medio ambiente es igual al producto del cuadrado de la intensidad de la corriente, la resistencia del conductor y el tiempo que la corriente pasa a través del conductor.
Según la ley de conservación de la energía, la cantidad de calor liberada por un conductor es numéricamente igual al trabajo realizado por la corriente que fluye a través del conductor durante el mismo tiempo.
En el sistema SI:
[Q] = 1J
ENERGÍA DC
La relación entre el trabajo realizado por la corriente durante el tiempo t y este intervalo de tiempo.
En el sistema SI:
El fenómeno de la superconductividad.
Descubrimiento de la superconductividad a baja temperatura:
1911 - Científico holandés Kamerling - Onnes
observado a temperaturas ultrabajas (por debajo de 25 K) en muchos metales y aleaciones;
A tales temperaturas, la resistividad de estas sustancias se vuelve extremadamente pequeña.
En 1957 se dio una explicación teórica del fenómeno de la superconductividad:
Cooper (Estados Unidos), Bogolyubov (URSS)
1957 Experimento de Collins: la corriente en un circuito cerrado sin fuente de corriente no se detuvo durante 2,5 años.
En 1986 se descubrió la superconductividad a altas temperaturas (a 100 K) (para metalcerámicas).
Dificultad para lograr la superconductividad:
- la necesidad de un fuerte enfriamiento de la sustancia
Área de aplicación:
- obtención de fuertes campos magnéticos;
- potentes electroimanes con devanado superconductor en aceleradores y generadores.
Actualmente en el sector energético existe Un gran problema
- Grandes pérdidas de electricidad durante la transmisión. ella por cable.
Solución posible Problemas:
con superconductividad, la resistencia de los conductores es aproximadamente 0
y las pérdidas de energía se reducen drásticamente.
Sustancia con la temperatura superconductora más alta.
En 1988, en Estados Unidos, a una temperatura de –148°C, se produjo el fenómeno de la superconductividad. El conductor era una mezcla de óxidos de talio, calcio, bario y cobre: Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.
Semiconductores
Sustancia cuya resistividad puede variar en un amplio rango y disminuye muy rápidamente al aumentar la temperatura, lo que significa que la conductividad eléctrica (1/R) aumenta.
- observado en silicio, germanio, selenio y algunos compuestos.
Mecanismo de conducción en semiconductores
Los cristales semiconductores tienen una red cristalina atómica donde los electrones externos están unidos a los átomos vecinos mediante enlaces covalentes.
A bajas temperaturas, los semiconductores puros no tienen electrones libres y se comportan como un aislante.
CORRIENTE ELÉCTRICA EN VACÍO
¿Qué es un vacío?
- este es el grado de rarefacción de un gas en el que prácticamente no hay colisiones de moléculas;
La corriente eléctrica no es posible porque la posible cantidad de moléculas ionizadas no puede proporcionar conductividad eléctrica;
- es posible crear corriente eléctrica en el vacío si se utiliza una fuente de partículas cargadas;
- la acción de una fuente de partículas cargadas puede basarse en el fenómeno de la emisión termoiónica.
Emisión termoiónica
- se trata de la emisión de electrones por cuerpos sólidos o líquidos cuando se calientan a temperaturas correspondientes al brillo visible del metal caliente.
El electrodo metálico calentado emite continuamente electrones, formando una nube de electrones a su alrededor.
En un estado de equilibrio, la cantidad de electrones que abandonaron el electrodo es igual a la cantidad de electrones que regresaron a él (ya que el electrodo se carga positivamente cuando se pierden electrones).
Cuanto mayor es la temperatura del metal, mayor es la densidad de la nube de electrones.
diodo de vacío
La corriente eléctrica en el vacío es posible en los tubos de vacío.
Un tubo de vacío es un dispositivo que utiliza el fenómeno de la emisión termoiónica.
Un diodo de vacío es un tubo de electrones de dos electrodos (A - ánodo y K - cátodo).
Se crea una presión muy baja dentro del recipiente de vidrio.
H - filamento colocado dentro del cátodo para calentarlo. La superficie del cátodo calentado emite electrones. Si el ánodo está conectado a + de la fuente de corriente y el cátodo está conectado a -, entonces el circuito fluye
Corriente termoiónica constante. El diodo de vacío tiene conductividad unidireccional.
Aquellos. La corriente en el ánodo es posible si el potencial del ánodo es mayor que el potencial del cátodo. En este caso, los electrones de la nube de electrones son atraídos hacia el ánodo, creando una corriente eléctrica en el vacío.
Característica corriente-voltaje de un diodo de vacío.
A voltajes anódicos bajos, no todos los electrones emitidos por el cátodo llegan al ánodo y la corriente eléctrica es pequeña. A altos voltajes, la corriente alcanza la saturación, es decir. valor máximo.
Se utiliza un diodo de vacío para rectificar la corriente alterna.
Corriente a la entrada del diodo rectificador:
Corriente de salida del rectificador:
haces de electrones
Se trata de una corriente de electrones que vuelan rápidamente en tubos de vacío y dispositivos de descarga de gas.
Propiedades de los haces de electrones:
Se desvía en campos eléctricos;
- desviarse en campos magnéticos bajo la influencia de la fuerza de Lorentz;
- cuando se desacelera un rayo que incide sobre una sustancia, aparece radiación de rayos X;
- provoca brillo (luminiscencia) de algunos sólidos y líquidos (luminóforos);
- calentar la sustancia poniéndola en contacto.
Tubo de rayos catódicos (CRT)
Se utilizan fenómenos de emisión termoiónica y propiedades de haces de electrones.
Un CRT consta de un cañón de electrones y deflectores horizontales y verticales.
placas de electrodos y pantalla.
En un cañón de electrones, los electrones emitidos por un cátodo calentado pasan a través del electrodo de la rejilla de control y son acelerados por los ánodos. Un cañón de electrones enfoca un haz de electrones en un punto y cambia el brillo de la luz en la pantalla. Las placas deflectoras horizontales y verticales le permiten mover el haz de electrones en la pantalla a cualquier punto de la pantalla. La pantalla del tubo está recubierta con un fósforo que comienza a brillar cuando se bombardea con electrones.
Hay dos tipos de tubos:
1) con control electrostático del haz de electrones (deflexión del haz eléctrico únicamente por el campo eléctrico);
2) con control electromagnético (se añaden bobinas de desviación magnética).
Principales aplicaciones de CRT:
tubos de imagen en equipos de televisión;
pantallas de ordenador;
Osciloscopios electrónicos en tecnología de medición.
CORRIENTE ELÉCTRICA EN GASES
En condiciones normales, el gas es un dieléctrico, es decir. está formado por átomos y moléculas neutros y no contiene portadores libres de corriente eléctrica.
El gas conductor es un gas ionizado. El gas ionizado tiene conductividad de iones de electrones.
El aire es un dieléctrico en líneas eléctricas, condensadores de aire e interruptores de contacto.
El aire es conductor cuando se produce un rayo, una chispa eléctrica o cuando se produce un arco de soldadura.
Ionización de gases
Es la descomposición de átomos o moléculas neutrales en iones y electrones positivos mediante la eliminación de electrones de los átomos. La ionización se produce cuando un gas se calienta o se expone a radiaciones (UV, rayos X, radiactivas) y se explica por la desintegración de átomos y moléculas durante colisiones a altas velocidades.
Descarga de gas
Esta es la corriente eléctrica en gases ionizados.
Los portadores de carga son iones positivos y electrones. La descarga de gas se observa en los tubos de descarga de gas (lámparas) cuando se exponen a un campo eléctrico o magnético.
Recombinación de partículas cargadas.
- el gas deja de ser conductor si cesa la ionización, esto se produce como consecuencia de la recombinación (reunión de partículas con cargas opuestas).
Hay una descarga de gas autosostenida y no autosostenida.
Descarga de gas no autosostenida
Si se detiene la acción del ionizador, también se detendrá la descarga.
Cuando la descarga alcanza la saturación, la gráfica se vuelve horizontal. En este caso, la conductividad eléctrica del gas es causada únicamente por la acción del ionizador.
Descarga de gas autosostenida
En este caso, la descarga de gas continúa incluso después de la interrupción del ionizador externo debido a los iones y electrones resultantes de la ionización por impacto (= ionización por descarga eléctrica); ocurre cuando aumenta la diferencia de potencial entre los electrodos (se produce una avalancha de electrones).
Una descarga de gas no autosostenida puede transformarse en una descarga de gas autosostenida cuando Ua = Uignición.
Avería eléctrica del gas.
El proceso de transición de una descarga de gas no autosostenible a una autosostenible.
Se produce una descarga de gas autosostenida. 4 tipos:
1. ardiendo, a bajas presiones (hasta varios mm Hg), observado en tubos de luz de gas y láseres de gas.
2. chispa: a presión normal y alta intensidad de campo eléctrico (rayo: intensidad de corriente de hasta cientos de miles de amperios).
3. corona: a presión normal en un campo eléctrico no uniforme (en la punta).
4. arco: alta densidad de corriente, bajo voltaje entre los electrodos (temperatura del gas en el canal del arco -5000-6000 grados Celsius); observados en focos y equipos de proyección de películas.
Se observan estas descargas:
ardiendo - en lámparas fluorescentes;
chispa - en un relámpago;
corona - en precipitadores eléctricos, durante fugas de energía;
arco: durante la soldadura, en lámparas de mercurio.
Plasma
Este es el cuarto estado de agregación de una sustancia con un alto grado de ionización debido a la colisión de moléculas a alta velocidad a alta temperatura; encontrado en la naturaleza: ionosfera - plasma débilmente ionizado, Sol - plasma completamente ionizado; plasma artificial - en lámparas de descarga de gas.
El plasma puede ser:
Baja temperatura: a temperaturas inferiores a 100.000 K;
alta temperatura: a temperaturas superiores a 100.000 K.
Propiedades básicas del plasma:
Alta conductividad eléctrica
- fuerte interacción con campos eléctricos y magnéticos externos.
a una temperatura 
Cualquier sustancia se encuentra en estado plasmático.
Curiosamente, el 99% de la materia del Universo es plasma.
PREGUNTAS DE EXAMEN PARA EL EXAMEN
Plan:
- Introducción
- 1 Conceptos básicos
- 2 Ecuaciones básicas
- 3 Contenidos de electrodinámica.
- 4 Secciones de electrodinámica.
- 5 Valor de la aplicación
- 6 Historia
Introducción
Electrodinámica- una rama de la física que estudia el campo electromagnético en el caso más general (es decir, se consideran campos variables dependientes del tiempo) y su interacción con cuerpos que tienen carga eléctrica (interacción electromagnética). El tema de la electrodinámica incluye la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, la radiación electromagnética (en diferentes condiciones, tanto libres como en diversos casos de interacción con la materia), la corriente eléctrica (en general, variable) y su interacción con el campo electromagnético (corriente eléctrica). se puede considerar cuando éste es como una colección de partículas cargadas en movimiento). En la física moderna se considera que cualquier interacción eléctrica y magnética entre cuerpos cargados se produce a través de un campo electromagnético y, por tanto, también es objeto de la electrodinámica.
Más a menudo bajo el término electrodinámica por defecto, se entiende la electrodinámica clásica (que no afecta a los efectos cuánticos); Para denotar la teoría cuántica moderna del campo electromagnético y su interacción con partículas cargadas, se suele utilizar el término estable electrodinámica cuántica.
1. Conceptos básicos
Los conceptos básicos utilizados en electrodinámica incluyen:
- El campo electromagnético es el principal tema de estudio de la electrodinámica, un tipo de materia que se manifiesta al interactuar con cuerpos cargados. Históricamente dividido en dos campos:
- El campo eléctrico, creado por cualquier cuerpo cargado o por un campo magnético alterno, tiene un efecto sobre cualquier cuerpo cargado.
- El campo magnético, creado por cuerpos cargados en movimiento, cuerpos cargados con espín y campos eléctricos alternos, afecta a las cargas en movimiento y a los cuerpos cargados con espín.
- La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos que les permite crear campos electromagnéticos, así como interactuar con estos campos.
- El potencial electromagnético es una cantidad física de 4 vectores que determina completamente la distribución del campo electromagnético en el espacio. Destacar:
- Potencial electrostático: componente temporal de un vector de 4
- El potencial vectorial es un vector tridimensional formado por los componentes restantes de un 4-vector.
- El vector de Poynting es una cantidad física vectorial que tiene el significado de densidad de flujo de energía de un campo electromagnético.
2. Ecuaciones básicas
Las ecuaciones básicas que describen el comportamiento del campo electromagnético y su interacción con cuerpos cargados son:
- Las ecuaciones de Maxwell, que determinan el comportamiento de un campo electromagnético libre en el vacío y en un medio, así como la generación del campo por fuentes. Entre estas ecuaciones se encuentran:
- Ley de inducción de Faraday, que determina la generación de un campo eléctrico mediante un campo magnético alterno.
- El teorema de circulación del campo magnético con la adición de corrientes de desplazamiento introducido por Maxwell determina la generación de un campo magnético mediante cargas en movimiento y un campo eléctrico alterno.
- Teorema de Gauss para el campo eléctrico, que determina la generación de un campo electrostático por las cargas.
- La ley de cierre de líneas de campo magnético.
- Expresión de la fuerza de Lorentz que determina la fuerza que actúa sobre una carga ubicada en un campo electromagnético.
- La ley de Joule-Lenz, que determina la cantidad de calor perdido en un medio conductor con conductividad finita, en presencia de un campo eléctrico en él.
Las ecuaciones particulares de particular importancia son:
- La ley de Coulomb, que combina el teorema de Gauss para el campo eléctrico y la fuerza de Lorentz, y determina la interacción electrostática de dos cargas puntuales.
- Ley de Ampère, que determina la fuerza que actúa sobre una corriente elemental situada en un campo magnético.
- Teorema de Poynting, que expresa la ley de conservación de la energía en electrodinámica.
3. Contenidos de la electrodinámica.
El contenido principal de la electrodinámica clásica es la descripción de las propiedades del campo electromagnético y su interacción con los cuerpos cargados (los cuerpos cargados “generan” el campo electromagnético, son sus “fuentes”, y el campo electromagnético a su vez actúa sobre los cuerpos cargados, creando fuerzas electromagnéticas). Esta descripción, además de definir objetos y cantidades básicos, como carga eléctrica, campo eléctrico, campo magnético, potencial electromagnético, se reduce de una forma u otra a las ecuaciones de Maxwell y la fórmula de fuerza de Lorentz, y también toca algunas cuestiones relacionadas ( relacionados con la física matemática, aplicaciones, cantidades auxiliares y fórmulas auxiliares importantes para aplicaciones, como el vector de densidad de corriente o la ley empírica de Ohm). Esta descripción también incluye cuestiones de conservación y transferencia de energía, momento, momento angular por un campo electromagnético, incluidas fórmulas para densidad de energía, vector de Poynting, etc.
En ocasiones, se entiende por efectos electrodinámicos (a diferencia de la electrostática) aquellas diferencias significativas entre el caso general del comportamiento de un campo electromagnético (por ejemplo, la relación dinámica entre los campos eléctrico y magnético cambiantes) y el caso estático, que hacen que el particular Caso estático mucho más sencillo de describir, comprender y calcular.
4. Secciones de electrodinámica.
- La electrostática describe las propiedades de un campo eléctrico estático (que no cambia con el tiempo o que cambia lo suficientemente lento como para despreciar los “efectos electrodinámicos” en el sentido descrito anteriormente) y su interacción con cuerpos cargados eléctricamente (cargas eléctricas).
- La magnetostática estudia las corrientes continuas y los campos magnéticos constantes (los campos no cambian con el tiempo o cambian tan lentamente que la velocidad de estos cambios pueda despreciarse en el cálculo), así como su interacción.
- La electrodinámica continua examina el comportamiento de los campos electromagnéticos en medios continuos.
- La electrodinámica relativista considera los campos electromagnéticos en medios en movimiento.
5. Valor de la aplicación
La electrodinámica subyace a la óptica física, la física de la propagación de ondas de radio, y también impregna casi toda la física, ya que casi todas las ramas de la física tienen que lidiar con campos y cargas eléctricas y, a menudo, con sus cambios y movimientos rápidos y no triviales. Además, la electrodinámica es una teoría física ejemplar (tanto en su versión clásica como en la cuántica), que combina una precisión muy alta de cálculos y predicciones con la influencia de las ideas teóricas nacidas en su campo en otras áreas de la física teórica.
La electrodinámica tiene una gran importancia en la tecnología y constituye la base de: la ingeniería radioeléctrica, la ingeniería eléctrica, diversas ramas de las comunicaciones y la radio.
6. Historia
La primera prueba de la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos fue el descubrimiento experimental de Oersted en 1819-1820 de la generación de un campo magnético mediante corriente eléctrica. También expresó la idea de alguna interacción de procesos eléctricos y magnéticos en el espacio que rodea al conductor, pero de una forma bastante confusa.
En 1831, Michael Faraday descubrió experimentalmente el fenómeno y la ley de la inducción electromagnética, que se convirtió en la primera evidencia clara de la relación dinámica directa entre los campos eléctrico y magnético. También desarrolló (en relación con los campos eléctricos y magnéticos) los fundamentos del concepto de campo físico y algunos conceptos teóricos básicos que permiten describir los campos físicos, y también predijo la existencia de ondas electromagnéticas en 1832.
En 1864, J. C. Maxwell publicó por primera vez el sistema completo de ecuaciones de la "electrodinámica clásica" que describe la evolución del campo electromagnético y su interacción con cargas y corrientes. Hizo una suposición teórica de que la luz es una onda electromagnética, es decir. Objeto de la electrodinámica.
Electrodinámica… Diccionario de ortografía-libro de referencia
Teoría clásica (no cuántica) del comportamiento del campo electromagnético, que lleva a cabo la interacción entre eléctricos. cargas (interacción electromagnética). Leyes clásicas macroscópico E. están formulados en las ecuaciones de Maxwell, que permiten ... Enciclopedia física
- (de la palabra electricidad y del griego dinamis power). Parte de la física que trata de la acción de las corrientes eléctricas. Diccionario de palabras extranjeras incluidas en el idioma ruso. Chudinov A.N., 1910. ELECTRODINÁMICA de la palabra electricidad y griego. dinamismo, fuerza... Diccionario de palabras extranjeras de la lengua rusa.
enciclopedia moderna
Electrodinámica- teoría clásica de los procesos electromagnéticos no cuánticos en los que el papel principal lo desempeñan las interacciones entre partículas cargadas en diversos medios y en el vacío. La formación de la electrodinámica fue precedida por los trabajos de C. Coulomb, J. Biot, F. Savart, ... ... Diccionario enciclopédico ilustrado
Teoría clásica de los procesos electromagnéticos en diversos medios y en el vacío. Abarca un enorme conjunto de fenómenos en los que el papel principal lo desempeñan las interacciones entre partículas cargadas que se llevan a cabo a través de un campo electromagnético... Gran diccionario enciclopédico
ELECTRODINÁMICA, en física, campo que estudia la interacción entre campos eléctricos y magnéticos y cuerpos cargados. Esta disciplina se inició en el siglo XIX. con sus trabajos teóricos James MAXWELL, luego pasó a formar parte de... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
ELECTRODINÁMICA, electrodinámica, muchos otros. no, mujer (ver electricidad y dinámica) (físico). Departamento de Física, que estudia las propiedades de la corriente eléctrica, la electricidad en movimiento; hormiga. electrostática. Diccionario explicativo de Ushakov. D.N. Ushakov. 1935 1940… Diccionario explicativo de Ushakov
ELECTRODINÁMICA, y, g. (especialista.). Teoría de los procesos electromagnéticos en diversos medios y en el vacío. Diccionario explicativo de Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Shvédova. 1949 1992… Diccionario explicativo de Ozhegov
Sustantivo, número de sinónimos: 2 dinámica (18) física (55) Diccionario de sinónimos ASIS. V.N. Trishin. 2013… Diccionario de sinónimos
electrodinámica- - [A.S.Goldberg. Diccionario de energía inglés-ruso. 2006] Temas de ingeniería energética en general EN electrodinámica ... Guía del traductor técnico
Libros
- Electrodinámica, A. E. Ivanov. Este libro de texto es autosuficiente: presenta conferencias que fueron impartidas durante varios años por un profesor asociado en el centro científico y educativo especializado de MSTU. N. E. Bauman...
- Electrodinámica, Sergei Anatolyevich Ivanov. ...
Definición 1
La electrodinámica es un campo enorme e importante de la física que estudia las propiedades clásicas no cuánticas del campo electromagnético y el movimiento de cargas magnéticas cargadas positivamente que interactúan entre sí utilizando este campo.
Figura 1. Brevemente sobre electrodinámica. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes
La electrodinámica parece ser una amplia gama de diferentes formulaciones de problemas y sus soluciones inteligentes, métodos aproximados y casos especiales, que se combinan en un todo mediante leyes y ecuaciones iniciales generales. Estos últimos, que constituyen la parte principal de la electrodinámica clásica, se presentan en detalle en las fórmulas de Maxwell. Actualmente, los científicos continúan estudiando los principios de esta área de la física, el esqueleto de su construcción y las relaciones con otras áreas científicas.
La ley de Coulomb en electrodinámica se denota de la siguiente manera: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, donde $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. La ecuación de intensidad del campo eléctrico se escribe de la siguiente manera: $E= \frac (F)(q)$, y el flujo del vector de inducción del campo magnético $∆Ф=В∆S \cos (a)$.
En electrodinámica se estudian principalmente las cargas libres y los sistemas de cargas que contribuyen a la activación de un espectro energético continuo. La descripción clásica de la interacción electromagnética se ve favorecida por el hecho de que ya es eficaz en el límite de baja energía, cuando el potencial energético de las partículas y los fotones es pequeño en comparación con la energía en reposo del electrón.
En tales situaciones, a menudo no se produce la aniquilación de las partículas cargadas, ya que sólo se produce un cambio gradual en el estado de su movimiento inestable como resultado del intercambio de una gran cantidad de fotones de baja energía.
Nota 1
Sin embargo, incluso con altas energías de partículas en el medio, a pesar del papel importante de las fluctuaciones, la electrodinámica se puede utilizar con éxito para una descripción completa de características y procesos macroscópicos estadísticamente promedio.
Ecuaciones básicas de electrodinámica.
Las principales fórmulas que describen el comportamiento del campo electromagnético y su interacción directa con cuerpos cargados son las ecuaciones de Maxwell, que determinan las acciones probables de un campo electromagnético libre en el medio y en el vacío, así como la generación general del campo por las fuentes.
Entre estas disposiciones en física se puede destacar:
- Teorema de Gauss para el campo eléctrico: destinado a determinar la generación de un campo electrostático mediante cargas positivas;
- hipótesis de líneas de campo cerradas: promueve la interacción de procesos dentro del propio campo magnético;
- Ley de inducción de Faraday: establece la generación de campos eléctricos y magnéticos por las propiedades variables del medio ambiente.
En general, el teorema de Ampere-Maxwell es una idea única sobre la circulación de líneas en un campo magnético con la adición gradual de corrientes de desplazamiento introducidas por el propio Maxwell, que determina con precisión la transformación del campo magnético por cargas en movimiento y la acción alterna de el campo eléctrico.
Carga y fuerza en electrodinámica.
En electrodinámica, la interacción de fuerza y carga del campo electromagnético proviene de la siguiente definición conjunta de los campos de carga eléctrica $q$, energía $E$ y magnético $B$, los cuales se establecen como una ley física fundamental basada en toda la conjunto de datos experimentales. La fórmula de la fuerza de Lorentz (dentro de la idealización de una carga puntual que se mueve a una determinada velocidad) se escribe con la sustitución de la velocidad $v$.
Los conductores suelen contener una gran cantidad de cargas, por lo que estas cargas están bastante bien compensadas: el número de cargas positivas y negativas siempre es igual entre sí. En consecuencia, la fuerza eléctrica total que actúa constantemente sobre el conductor también es cero. Las fuerzas magnéticas que actúan sobre las cargas individuales en un conductor finalmente no se compensan, porque en presencia de corriente, las velocidades de movimiento de las cargas son siempre diferentes. La ecuación para la acción de un conductor con corriente en un campo magnético se puede escribir de la siguiente manera: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $
Si estudiamos no un líquido, sino un flujo completo y estable de partículas cargadas como una corriente, entonces todo el potencial energético que pasa linealmente a través del área por $1s$ será la intensidad de la corriente igual a: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, donde $ρ$ es la densidad de carga (por unidad de volumen en el flujo total).
Nota 2
Si el campo magnético y eléctrico cambia sistemáticamente de un punto a otro en un sitio específico, entonces en las expresiones y fórmulas para flujos parciales, como en el caso del líquido, los valores promedio $E ⃗ $ y $B ⃗$ en el Se debe ingresar al sitio.
La posición especial de la electrodinámica en la física.
La importante posición de la electrodinámica en la ciencia moderna puede confirmarse mediante la famosa obra de A. Einstein, en la que se detallan los principios y fundamentos de la teoría especial de la relatividad. El trabajo científico del destacado científico se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" e incluye una gran cantidad de ecuaciones y definiciones importantes.
Como campo separado de la física, la electrodinámica consta de las siguientes secciones:
- la doctrina del campo de partículas y cuerpos físicos estacionarios pero cargados eléctricamente;
- la doctrina de las propiedades de la corriente eléctrica;
- la doctrina de la interacción del campo magnético y la inducción electromagnética;
- el estudio de ondas y oscilaciones electromagnéticas.
Todas las secciones anteriores están unidas en una sola por el teorema de D. Maxwell, quien no solo creó y presentó una teoría coherente del campo electromagnético, sino que también describió todas sus propiedades, demostrando su existencia real. El trabajo de este científico en particular mostró al mundo científico que los campos eléctricos y magnéticos conocidos en ese momento son solo una manifestación de un único campo electromagnético que opera en diferentes sistemas de referencia.
Una parte importante de la física está dedicada al estudio de la electrodinámica y los fenómenos electromagnéticos. Este campo reclama en gran medida el estatus de una ciencia independiente, ya que no sólo explora todos los patrones de interacciones electromagnéticas, sino que también los describe en detalle mediante fórmulas matemáticas. La investigación profunda y de largo plazo en electrodinámica ha abierto nuevas vías para el uso de los fenómenos electromagnéticos en la práctica, en beneficio de toda la humanidad.