Kurā stāvoklī elektrodinamikai ir svarīga loma? Elektrodinamika, formulas

DEFINĪCIJA

Elektromagnētiskos laukus un elektromagnētisko mijiedarbību pēta fizikas nozare, ko sauc elektrodinamika.

Klasiskā elektrodinamika pēta un apraksta elektromagnētisko lauku īpašības. Pārbauda likumus, saskaņā ar kuriem elektromagnētiskie lauki mijiedarbojas ar ķermeņiem ar elektrisko lādiņu.

Elektrodinamikas pamatjēdzieni

Stacionāras vides elektrodinamikas pamatā ir Maksvela vienādojumi. Elektrodinamika darbojas ar tādiem pamatjēdzieniem kā elektromagnētiskais lauks, elektriskais lādiņš, elektromagnētiskais potenciāls, Pointinga vektors.

Elektromagnētiskais lauks ir īpašs matērijas veids, kas izpaužas, kad viens uzlādēts ķermenis mijiedarbojas ar otru. Bieži vien, apsverot elektromagnētisko lauku, izšķir tā sastāvdaļas: elektrisko lauku un magnētisko lauku. Elektriskais lauks rada elektrisko lādiņu vai mainīgu magnētisko lauku. Magnētiskais lauks rodas, pārvietojoties lādiņam (uzlādētam ķermenim) un laika mainīga elektriskā lauka klātbūtnē.

Elektromagnētiskais potenciāls ir fizisks lielums, kas nosaka elektromagnētiskā lauka sadalījumu telpā.

Elektrodinamika tiek iedalīta: elektrostatikā; magnetostatika; kontinuuma elektrodinamika; Relativistiskā elektrodinamika.

Pointinga vektors (Umov-Poynting vektors) ir fizisks lielums, kas ir elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas blīvuma vektors. Šī vektora lielums ir vienāds ar enerģiju, kas tiek pārnesta laika vienībā caur virsmas laukuma vienību, kas ir perpendikulāra elektromagnētiskās enerģijas izplatīšanās virzienam.

Elektrodinamika veido pamatu optikas (kā zinātnes nozares) un radioviļņu fizikas izpētei un attīstībai. Šī zinātnes nozare ir radiotehnikas un elektrotehnikas pamats.

Klasiskā elektrodinamika, aprakstot elektromagnētisko lauku īpašības un to mijiedarbības principus, izmanto Maksvela vienādojumu sistēmu (integrālā vai diferenciālā formā), papildinot to ar materiālu vienādojumu sistēmu, robežnosacījumiem un sākuma nosacījumiem.

Maksvela strukturālie vienādojumi

Maksvela vienādojumu sistēmai elektrodinamikā ir tāda pati nozīme kā Ņūtona likumiem klasiskajā mehānikā. Maksvela vienādojumi tika iegūti daudzu eksperimentālo datu vispārināšanas rezultātā. Tiek izšķirti Maksvela strukturālie vienādojumi, rakstot tos integrālā vai diferenciālā formā, un materiālu vienādojumi, kas savieno vektorus ar matērijas elektriskās un magnētiskās īpašības raksturojošiem parametriem.

Maksvela strukturālie vienādojumi integrālā formā (SI sistēmā):

kur ir magnētiskā lauka intensitātes vektors; ir elektriskās strāvas blīvuma vektors; - elektriskās nobīdes vektors. Vienādojums (1) atspoguļo magnētisko lauku radīšanas likumu. Magnētiskais lauks rodas, pārvietojoties lādiņam (elektriskā strāva) vai mainoties elektriskajam laukam. Šis vienādojums ir Biota-Savarta-Laplasa likuma vispārinājums. Vienādojumu (1) sauc par magnētiskā lauka cirkulācijas teorēmu.

kur ir magnētiskā lauka indukcijas vektors; - elektriskā lauka intensitātes vektors; L ir slēgta cilpa, caur kuru cirkulē elektriskā lauka intensitātes vektors. Vēl viens (2) vienādojuma nosaukums ir elektromagnētiskās indukcijas likums. Izteiksme (2) nozīmē, ka virpuļa elektriskais lauks tiek ģenerēts mainīga magnētiskā lauka dēļ.

kur ir elektriskais lādiņš; - lādiņa blīvums. Vienādojumu (3) sauc par Ostrogradska-Gausa teorēmu. Elektriskie lādiņi ir elektriskā lauka avoti; ir bezmaksas elektriskie lādiņi.

Vienādojums (4) norāda, ka magnētiskais lauks ir virpulis. Magnētiskie lādiņi dabā nepastāv.

Maksvela strukturālie vienādojumi diferenciālā formā (SI sistēma):

kur ir elektriskā lauka intensitātes vektors; - magnētiskās indukcijas vektors.

kur ir magnētiskā lauka intensitātes vektors; - dielektriskās nobīdes vektors; - strāvas blīvuma vektors.

kur ir elektriskā lādiņa sadalījuma blīvums.

Maksvela strukturālie vienādojumi diferenciālā formā nosaka elektromagnētisko lauku jebkurā telpas punktā. Ja lādiņi un strāvas tiek nepārtraukti sadalīti telpā, tad Maksvela vienādojumu integrālās un diferenciālās formas ir līdzvērtīgas. Tomēr, ja ir pārrāvumu virsmas, tad Maksvela vienādojumu rakstīšanas integrālā forma ir vispārīgāka.

Lai panāktu Maksvela vienādojumu integrālformu un diferenciālformu matemātisko ekvivalenci, diferenciālo apzīmējumu papildina ar robežnosacījumiem.

No Maksvela vienādojumiem izriet, ka mainīgs magnētiskais lauks rada mainīgu elektrisko lauku un otrādi, tas ir, šie lauki nav atdalāmi un veido vienu elektromagnētisko lauku. Elektriskā lauka avoti var būt vai nu elektriskie lādiņi, vai laikā mainīgs magnētiskais lauks. Magnētiskos laukus ierosina kustīgi elektriskie lādiņi (strāvas) vai mainīgi elektriskie lauki. Maksvela vienādojumi nav simetriski attiecībā pret elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem. Tas notiek tāpēc, ka pastāv elektriskie lādiņi, bet ne magnētiskie lādiņi.

Materiālu vienādojumi

Maksvela strukturālo vienādojumu sistēma ir papildināta ar materiālu vienādojumiem, kas atspoguļo vektoru attiecības ar matērijas elektriskās un magnētiskās īpašības raksturojošiem parametriem.

kur ir relatīvā dielektriskā konstante, ir relatīvā magnētiskā caurlaidība, ir īpatnējā elektriskā vadītspēja, ir elektriskā konstante, ir magnētiskā konstante. Vide šajā gadījumā tiek uzskatīta par izotropu, neferomagnētisku, neferoelektrisku.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums Atvasiniet nepārtrauktības vienādojuma diferenciālo formu no Maksvela vienādojumu sistēmas.
Risinājums Kā pamatu problēmas risināšanai mēs izmantojam vienādojumu:

kur ir patvaļīgas virsmas laukums, uz kura balstās slēgtā kontūra L. No (1.1) mums ir:

Apsveriet bezgalīgi mazu kontūru

Tā kā virsma ir aizvērta, izteiksmi (1.2) var pārrakstīt šādi:

Uzrakstīsim vēl vienu Maksvela vienādojumu:

Atšķirsim vienādojumu (1.5) attiecībā pret laiku, mums ir:

Ņemot vērā izteiksmi (1.4), vienādojumu (1.5) var attēlot šādi:

Esam ieguvuši nepārtrauktības vienādojumu (1.5) integrālā formā. Lai pārietu uz nepārtrauktības vienādojuma diferenciālo formu, ejam uz robežu:

Mēs esam ieguvuši nepārtrauktības vienādojumu diferenciālā formā:

ELEKTRODINAMIKAS PAMATI. ELEKTROSTATIKA


ELEKTRODINAMIKAS PAMATI

Elektrodinamika- zinātne par elektromagnētiskā lauka īpašībām.

Elektromagnētiskais lauks- nosaka lādētu daļiņu kustība un mijiedarbība.

Elektriskā/magnētiskā lauka izpausme- tā ir elektrisko/magnētisko spēku darbība:
1) berzes spēki un elastības spēki makrokosmosā;
2) elektrisko/magnētisko spēku darbība mikrokosmosā (atomu uzbūve, atomu savienošanās molekulās,
elementārdaļiņu transformācija)

Elektriskā/magnētiskā lauka atklāšana- Dž.Maksvels.


ELEKTROSTATIKA

Elektrodinamikas nozare pēta elektriski lādētus ķermeņus miera stāvoklī.

Elementārās daļiņas var būt e-pasts uzlādēt, tad tos sauc par uzlādētiem;
- mijiedarboties savā starpā ar spēkiem, kas ir atkarīgi no attāluma starp daļiņām,
bet daudzkārt pārsniedz savstarpējās gravitācijas spēkus (šo mijiedarbību sauc
elektromagnētiskais).

E-pasts maksas- fiziska vērtība nosaka elektriskās/magnētiskās mijiedarbības intensitāti.
Ir 2 elektrisko lādiņu pazīmes: pozitīva un negatīva.
Daļiņas ar līdzīgiem lādiņiem atgrūž, un daļiņas ar atšķirīgiem lādiņiem piesaista.
Protonam ir pozitīvs lādiņš, elektronam ir negatīvs lādiņš, un neitronam ir elektriski neitrāls.

Elementārā maksa- minimālā maksa, ko nevar sadalīt.
Kā mēs varam izskaidrot elektromagnētisko spēku klātbūtni dabā?
- Visi ķermeņi satur lādētas daļiņas.
Normālā ķermeņa stāvoklī, el. neitrāls (jo atoms ir neitrāls) un elektrisks/magnētisks. pilnvaras neizpaužas.

Ķermenis ir uzlādēts, ja tam ir jebkuras zīmes maksas pārsniegums:
negatīvi uzlādēts - ja ir elektronu pārpalikums;
pozitīvi uzlādēts – ja trūkst elektronu.

Virsbūvju elektrifikācija- tas ir viens no veidiem, kā iegūt uzlādētus ķermeņus, piemēram, ar kontaktu).
Šajā gadījumā abi ķermeņi ir uzlādēti, un lādiņi ir pretēji zīmei, bet vienādi pēc lieluma.


Elektriskā lādiņa nezūdamības likums.

Slēgtā sistēmā visu daļiņu lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga.
(... bet ne lādēto daļiņu skaits, jo notiek elementārdaļiņu pārvērtības).

Slēgta sistēma

Daļiņu sistēma, kurā lādētas daļiņas neietilpst no ārpuses un neiziet.

Kulona likums

Elektrostatikas pamatlikums.

Mijiedarbības spēks starp diviem stacionāriem lādētiem ķermeņiem vakuumā ir tieši proporcionāls
lādēšanas moduļu reizinājums un ir apgriezti proporcionāls attāluma starp tiem kvadrātam.

Kad ķermeņus uzskata par punktveida ķermeņiem? - ja attālums starp tiem ir daudzkārt lielāks par ķermeņu izmēru.
Ja diviem ķermeņiem ir elektriskie lādiņi, tad tie mijiedarbojas saskaņā ar Kulona likumu.



Elektriskā lādiņa mērvienība
1 C ir lādiņš, kas 1 sekundē iziet cauri vadītāja šķērsgriezumam ar strāvu 1 A.
1 C ir ļoti liels lādiņš.
Elementārā lādiņa:

ELEKTRISKĀS LAUKS

Apkārt ir elektrisks lādiņš, materiāli.
Galvenā elektriskā lauka īpašība: iedarbība ar spēku uz tajā ievadīto elektrisko lādiņu.

Elektrostatiskais lauks- stacionāra elektriskā lādiņa lauks laika gaitā nemainās.

Elektriskā lauka stiprums.- el. kvantitatīvās īpašības. lauki.
ir spēka, ar kādu lauks iedarbojas uz ievadīto punktveida lādiņu, attiecība pret šī lādiņa lielumu.
- nav atkarīgs no ievadītā lādiņa lieluma, bet raksturo elektrisko lauku!

Sprieguma vektora virziens
sakrīt ar spēka vektora virzienu, kas iedarbojas uz pozitīvu lādiņu, un pretējs spēka virzienam, kas iedarbojas uz negatīvu lādiņu.

Punkta lādiņa lauka stiprums:


kur q0 ir lādiņš, kas rada elektrisko lauku.
Jebkurā lauka punktā intensitāte vienmēr ir vērsta pa taisni, kas savieno šo punktu un q0.

ELEKTRISKĀ KApacitāte

Raksturo divu vadītāju spēju uzkrāt elektrisko lādiņu.
- nav atkarīgs no q un U.
- atkarīgs no vadītāju ģeometriskajiem izmēriem, to formas, relatīvā stāvokļa, starp vadītājiem esošās vides elektriskajām īpašībām.

SI mērvienības: (F — farads)

KONDENSATORI

Elektriskā ierīce, kas uzglabā lādiņu
(divi vadītāji, kas atdalīti ar dielektrisku slāni).

Kur d ir daudz mazāks par vadītāja izmēriem.

Apzīmējums elektriskajās shēmās:


Viss elektriskais lauks ir koncentrēts kondensatora iekšpusē.
Kondensatora lādiņš ir lādiņa absolūtā vērtība vienā no kondensatora plāksnēm.

Kondensatoru veidi:
1. pēc dielektriķa veida: gaiss, vizla, keramika, elektrolītisks
2. pēc plākšņu formas: plakana, sfēriska.
3. pēc jaudas: nemainīgs, mainīgs (regulējams).



Plakanā kondensatora elektriskā kapacitāte

kur S ir kondensatora plāksnes (pārklājuma) laukums
d - attālums starp plāksnēm
eo - elektriskā konstante
e - dielektriķa dielektriskā konstante

Kondensatoru iekļaušana elektriskā ķēdē

paralēli

secīgi

Tad kopējā elektriskā jauda (C):

kad savienots paralēli

.

kad ir savienots virknē

DC AC SAVIENOJUMI

Elektrība- lādētu daļiņu (brīvo elektronu vai jonu) sakārtota kustība.
Šajā gadījumā elektrība tiek pārnesta caur vadītāja šķērsgriezumu. lādiņš (lādētu daļiņu termiskās kustības laikā kopējais pārnestais elektriskais lādiņš = 0, jo tiek kompensēti pozitīvie un negatīvie lādiņi).

E-pasta norāde strāva- parasti ir pieņemts uzskatīt pozitīvi lādētu daļiņu kustības virzienu (no + līdz -).

E-pasta darbības strāva (vadītājā):

strāvas termiskais efekts- vadītāja sildīšana (izņemot supravadītājus);

strāvas ķīmiskā iedarbība - parādās tikai elektrolītos.Vielas, kas veido elektrolītu, izdalās uz elektrodiem;

strāvas magnētiskais efekts(galvenais) - novērots visos vadītājos (magnētiskās adatas novirze pie vadītāja ar strāvu un strāvas spēka ietekme uz blakus esošajiem vadītājiem caur magnētisko lauku).

OHM LIKUMS PAR SHĒMU SADAĻU

kur , R ir ķēdes sekcijas pretestība. (arī pašu vadītāju var uzskatīt par ķēdes posmu).

Katram vadītājam ir savs specifisks strāvas-sprieguma raksturlielums.

IZTURĪBA

Vadītāja galvenie elektriskie raksturlielumi.
- saskaņā ar Oma likumu šī vērtība ir nemainīga konkrētam vadītājam.

1 omi ir vadītāja pretestība ar potenciālu starpību tā galos
pie 1 V un strāvas stiprums tajā ir 1 A.

Pretestība ir atkarīga tikai no vadītāja īpašībām:

kur S ir vadītāja šķērsgriezuma laukums, l ir vadītāja garums,
ro - vadītājvielas īpašības raksturojoša pretestība.


ELEKTRISKĀS ĶĒDES

Tie sastāv no avota, elektriskās strāvas patērētāja, vadiem un slēdža.

SĒRIJAS DRIVIŅU SAVIENOŠANA

I - strāvas stiprums ķēdē
U - spriegums ķēdes sekcijas galos

VADĪTĀJU PARALĒLAIS SAVIENOJUMS

I - strāvas stiprums ķēdes nesazarotā posmā
U - spriegums ķēdes sekcijas galos
R - ķēdes sekcijas kopējā pretestība

Atcerieties, kā ir savienoti mērinstrumenti:

Ampermetrs - savienots virknē ar vadītāju, kurā mēra strāvu.

Voltmetrs - savienots paralēli vadītājam, uz kura tiek mērīts spriegums.

DC DARBĪBA

Pašreizējais darbs- tas ir elektriskā lauka darbs, lai pārvietotu elektriskos lādiņus gar vadītāju;

Darbs, ko strāva veic ķēdes posmā, ir vienāds ar strāvas, sprieguma un laika reizinājumu, kurā darbs tika veikts.

Izmantojot Ohma likuma formulu ķēdes sadaļai, jūs varat uzrakstīt vairākas formulas versijas strāvas aprēķināšanai:

Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu:

Darbs ir vienāds ar ķēdes posma enerģijas izmaiņām, tāpēc vadītāja izdalītā enerģija ir vienāda ar strāvas darbu.

SI sistēmā:

DŽŪLA-LENCA LIKUMS

Kad strāva iet caur vadītāju, vadītājs uzsilst un notiek siltuma apmaiņa ar vidi, t.i. vadītājs izdala siltumu apkārtējiem ķermeņiem.

Siltuma daudzums, ko vads izdala strāvu vidē, ir vienāds ar strāvas stipruma kvadrāta reizinājumu, vadītāja pretestību un laiku, kad strāva iet caur vadītāju.

Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu vadītāja izdalītais siltuma daudzums ir skaitliski vienāds ar darbu, ko veic strāva, kas tajā pašā laikā plūst caur vadītāju.

SI sistēmā:

[Q] = 1 J

DC POWER

Strāvas veiktā darba attiecība laika t laikā pret šo laika intervālu.

SI sistēmā:

Supravadītspējas fenomens

Zemas temperatūras supravadītspējas atklāšana:
1911. gads - Holandiešu zinātnieks Kamerlings - Onnes
novērota ļoti zemā temperatūrā (zem 25 K) daudzos metālos un sakausējumos;
Šādās temperatūrās šo vielu pretestība kļūst izzūdoši maza.

1957. gadā tika sniegts supravadītspējas fenomena teorētiskais skaidrojums:
Kūpers (ASV), Bogoļubovs (PSRS)

1957. gads Kolinsa eksperiments: strāva slēgtā ķēdē bez strāvas avota neapstājās 2,5 gadus.

1986. gadā tika atklāta augstas temperatūras supravadītspēja (pie 100 K) (metāla keramikai).


Grūtības sasniegt supravadītspēju:
- nepieciešamība pēc spēcīgas vielas dzesēšanas


Pielietojuma zona:
- spēcīgu magnētisko lauku iegūšana;
- jaudīgi elektromagnēti ar supravadošu tinumu paātrinātājos un ģeneratoros.

Šobrīd enerģētikas sektorā ir liela problēma
- lieli elektroenerģijas zudumi pārraides laikā viņu pa vadu.


Iespējamais risinājums Problēmas:
ar supravadītspēju vadītāju pretestība ir aptuveni 0
un enerģijas zudumi ir strauji samazināti.

Viela ar augstāko supravadīšanas temperatūru
1988. gadā ASV pie –148°C temperatūras tika iegūts supravadītspējas fenomens. Vadītājs bija tallija, kalcija, bārija un vara oksīdu maisījums - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.

Pusvadītājs -

Viela, kuras pretestība var mainīties plašā diapazonā un, palielinoties temperatūrai, samazinās ļoti ātri, kas nozīmē, ka elektrovadītspēja (1/R) palielinās.
- novērots silīcijā, germānijā, selēnā un dažos savienojumos.

Vadības mehānisms pusvadītājos

Pusvadītāju kristāliem ir atomu kristāla režģis, kurā ārējie elektroni ir saistīti ar blakus esošajiem atomiem ar kovalentām saitēm.
Zemā temperatūrā tīriem pusvadītājiem nav brīvu elektronu un tie uzvedas kā izolators.

ELEKTROSTRAVA VAKUUMĀ

Kas ir vakuums?
- šī ir gāzes retināšanas pakāpe, kurā praktiski nenotiek molekulu sadursmes;

Elektriskā strāva nav iespējama, jo iespējamais jonizēto molekulu skaits nevar nodrošināt elektrovadītspēju;
- ir iespējams radīt elektrisko strāvu vakuumā, ja izmanto lādētu daļiņu avotu;
- uzlādētu daļiņu avota darbība var būt balstīta uz termoemisijas fenomenu.

Termiskā emisija

- tā ir cietu vai šķidru ķermeņu elektronu emisija, kad tie tiek uzkarsēti līdz temperatūrai, kas atbilst karstā metāla redzamajam mirdzumam.
Uzkarsētais metāla elektrods nepārtraukti izstaro elektronus, veidojot ap sevi elektronu mākoni.
Līdzsvara stāvoklī elektronu skaits, kas atstāja elektrodu, ir vienāds ar elektronu skaitu, kas tajā atgriezās (jo elektrods kļūst pozitīvi uzlādēts, kad elektroni tiek zaudēti).
Jo augstāka ir metāla temperatūra, jo lielāks ir elektronu mākoņa blīvums.

Vakuuma diode

Vakuuma caurulēs ir iespējama elektriskā strāva vakuumā.
Vakuuma caurule ir ierīce, kas izmanto termiskās emisijas fenomenu.

Vakuuma diode ir divu elektrodu (A - anods un K - katods) elektronu caurule.
Stikla trauka iekšpusē tiek radīts ļoti zems spiediens

H - kvēldiegs, kas ievietots katoda iekšpusē, lai to uzsildītu. Apsildāmā katoda virsma izstaro elektronus. Ja anods ir savienots ar strāvas avota + un katods ir pievienots -, tad ķēde plūst
pastāvīga termiskā strāva. Vakuuma diodei ir vienvirziena vadītspēja.
Tie. strāva anodā ir iespējama, ja anoda potenciāls ir lielāks par katoda potenciālu. Šajā gadījumā elektroni no elektronu mākoņa tiek piesaistīti anodam, radot elektrisko strāvu vakuumā.

Vakuuma diodes strāvas-sprieguma raksturlielums.

Pie zema anoda sprieguma ne visi katoda izstarotie elektroni sasniedz anodu, un elektriskā strāva ir maza. Pie augsta sprieguma strāva sasniedz piesātinājumu, t.i. maksimālā vērtība.
Vakuuma diode tiek izmantota maiņstrāvas iztaisnošanai.

Strāva pie diodes taisngrieža ieejas:


Taisngrieža izejas strāva:

Elektronu stari

Šī ir strauji lidojošu elektronu plūsma vakuuma caurulēs un gāzizlādes ierīcēs.

Elektronu staru īpašības:

Novirzes elektriskajos laukos;
- novirze magnētiskajos laukos Lorenca spēka ietekmē;
- palēninās staru kūlis, kas skar vielu, parādās rentgena starojums;
- izraisa dažu cietvielu un šķidrumu (luminoforu) spīdumu (luminiscenci);
- uzsildiet vielu, saskaroties ar to.

Katodstaru lampa (CRT)

Tiek izmantotas termiskās emisijas parādības un elektronu staru īpašības.

CRT sastāv no elektronu lielgabala, horizontāliem un vertikāliem deflektoriem
elektrodu plāksnes un ekrāns.
Elektronu lielgabalā elektroni, ko izstaro uzkarsēts katods, iziet cauri vadības režģa elektrodam un tos paātrina anodi. Elektronu lielgabals fokusē elektronu staru punktā un maina ekrāna gaismas spilgtumu. Novirzītās horizontālās un vertikālās plāksnes ļauj pārvietot elektronu staru uz ekrāna uz jebkuru ekrāna punktu. Caurules ekrāns ir pārklāts ar fosforu, kas sāk spīdēt, kad to bombardē ar elektroniem.

Ir divu veidu caurules:

1) ar elektronu stara elektrostatisko vadību (elektriskā stara novirze tikai ar elektrisko lauku);
2) ar elektromagnētisko vadību (pievienotas magnētiskās novirzes spoles).

Galvenie CRT pielietojumi:

televīzijas iekārtu lampas;
datoru displeji;
elektroniskie osciloskopi mērīšanas tehnoloģijā.

ELEKTROSTRAVA GĀZĒS

Normālos apstākļos gāze ir dielektriķis, t.i. tas sastāv no neitrāliem atomiem un molekulām un nesatur brīvus elektriskās strāvas nesējus.
Vadītāja gāze ir jonizēta gāze. Jonizētajai gāzei ir elektronu jonu vadītspēja.

Gaiss ir dielektriķis elektropārvades līnijās, gaisa kondensatoros un kontaktu slēdžos.

Gaiss ir vadītājs, kad notiek zibens, elektriskā dzirkstele vai metināšanas loks.


Gāzes jonizācija

Tā ir neitrālu atomu vai molekulu sadalīšana pozitīvos jonos un elektronos, atdalot elektronus no atomiem. Jonizācija notiek, kad gāze tiek uzkarsēta vai pakļauta starojumam (UV, rentgena stariem, radioaktīvais), un tā ir izskaidrojama ar atomu un molekulu sadalīšanos sadursmju laikā lielā ātrumā.

Gāzes izlāde

Tā ir elektriskā strāva jonizētās gāzēs.
Lādiņu nesēji ir pozitīvie joni un elektroni. Gāzes izlāde tiek novērota gāzizlādes caurulēs (lampās), ja tās tiek pakļautas elektriskā vai magnētiskā lauka iedarbībai.

Lādētu daļiņu rekombinācija


- gāze pārstāj būt vadītājs, ja jonizācija apstājas, tas notiek rekombinācijas (pretēji lādētu daļiņu atkalapvienošanās) rezultātā.

Ir pašpietiekama un pašpietiekama gāzes izplūde.

Pašpietiekama gāzes izplūde

Ja jonizatora darbība tiek pārtraukta, apstāsies arī izlāde.

Kad izlāde sasniedz piesātinājumu, grafiks kļūst horizontāls. Šeit gāzes elektrisko vadītspēju izraisa tikai jonizatora darbība.

Pašpietiekama gāzes izvadīšana

Šajā gadījumā gāzizlāde turpinās arī pēc ārējā jonizatora izbeigšanās triecienjonizācijas rezultātā radušos jonu un elektronu dēļ (= elektriskās strāvas trieciena jonizācija); rodas, kad palielinās potenciālu starpība starp elektrodiem (notiek elektronu lavīna).
Nepietiekama gāzes izlāde var pārveidoties par pašpietiekamu gāzu izlādi, ja Ua = aizdegšanās.

Gāzes elektriskais bojājums

Nepašpietiekamas gāzes izplūdes pārejas process uz pašpietiekamu.

Notiek pašpietiekama gāzes izlāde 4 veidi:

1. gruzdēšana - zemā spiedienā (līdz vairākiem mm Hg) - novērota gāzes-gaismas lampās un gāzes lāzeros.
2. dzirkstele - pie normāla spiediena un liela elektriskā lauka stipruma (zibens - strāvas stiprums līdz simtiem tūkstošu ampēru).
3. korona - pie normāla spiediena nevienmērīgā elektriskajā laukā (smailē).
4. loka - augsts strāvas blīvums, zems spriegums starp elektrodiem (gāzes temperatūra loka kanālā -5000-6000 grādi pēc Celsija); novērota prožektoros un projekcijas filmu iekārtās.

Tiek novēroti šādi izdalījumi:

gruzdēšana - dienasgaismas spuldzēs;
dzirkstele - zibens;
korona - elektriskajos nogulsnēs, enerģijas noplūdes laikā;
loka - metināšanas laikā, dzīvsudraba lampās.


Plazma

Šis ir ceturtais vielas agregācijas stāvoklis ar augstu jonizācijas pakāpi molekulu sadursmes dēļ lielā ātrumā augstā temperatūrā; sastopams dabā: jonosfēra - vāji jonizēta plazma, Saule - pilnībā jonizēta plazma; mākslīgā plazma - gāzizlādes lampās.

Plazma var būt:

Zema temperatūra - temperatūrā, kas zemāka par 100 000K;
augsta temperatūra - temperatūrā virs 100 000K.

Plazmas pamatīpašības:

Augsta elektrovadītspēja
- spēcīga mijiedarbība ar ārējiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem.

Pie temperatūras

Jebkura viela ir plazmas stāvoklī.

Interesanti, ka 99% no Visuma matērijas ir plazma

TESTA JAUTĀJUMI TESTĒŠANAI



Plāns:

    Ievads
  • 1 Pamatjēdzieni
  • 2 Pamatvienādojumi
  • 3 Elektrodinamikas saturs
  • 4 Elektrodinamikas sadaļas
  • 5 Lietojumprogrammas vērtība
  • 6 Vēsture

Ievads

Elektrodinamika- fizikas nozare, kas pēta elektromagnētisko lauku vispārīgākajā gadījumā (tas ir, tiek ņemti vērā no laika atkarīgi mainīgie lauki) un tā mijiedarbība ar ķermeņiem, kuriem ir elektriskais lādiņš (elektromagnētiskā mijiedarbība). Elektrodinamikas priekšmets ietver savienojumu starp elektriskajām un magnētiskajām parādībām, elektromagnētisko starojumu (dažādos apstākļos, gan brīvos, gan dažādos mijiedarbības ar vielu gadījumos), elektrisko strāvu (vispārīgi runājot, mainīgo) un tās mijiedarbību ar elektromagnētisko lauku (elektrisko strāvu). var uzskatīt, ja tas ir kā kustīgu lādētu daļiņu kolekcija). Jebkura elektriskā un magnētiskā mijiedarbība starp uzlādētiem ķermeņiem mūsdienu fizikā tiek uzskatīta par notiekošu caur elektromagnētisko lauku, un tāpēc tā ir arī elektrodinamikas priekšmets.

Visbiežāk zem termiņa elektrodinamika pēc noklusējuma tiek saprasta klasiskā (kvantu efektus neietekmējošā) elektrodinamika; Lai apzīmētu mūsdienu kvantu teoriju par elektromagnētisko lauku un tā mijiedarbību ar lādētām daļiņām, parasti lieto stabilu terminu kvantu elektrodinamika.


1. Pamatjēdzieni

Elektrodinamikā izmantotie pamatjēdzieni ietver:

  • Elektromagnētiskais lauks ir galvenais elektrodinamikas izpētes priekšmets, matērijas veids, kas izpaužas mijiedarbībā ar lādētiem ķermeņiem. Vēsturiski sadalīts divās jomās:
    • Elektriskais lauks - ko rada jebkurš uzlādēts ķermenis vai mainīgs magnētiskais lauks, iedarbojas uz jebkuru uzlādētu ķermeni.
    • Magnētiskais lauks - izveidots, pārvietojot lādētus ķermeņus, uzlādētus ķermeņus ar spinu un mainīgus elektriskos laukus, ietekmē kustīgus lādiņus un lādētus ķermeņus ar spinu.
  • Elektriskais lādiņš ir ķermeņu īpašība, kas ļauj tiem radīt elektromagnētiskos laukus, kā arī mijiedarboties ar šiem laukiem.
  • Elektromagnētiskais potenciāls ir 4 vektoru fiziskais lielums, kas pilnībā nosaka elektromagnētiskā lauka sadalījumu telpā. Izcelt:
    • Elektrostatiskais potenciāls - 4-vektora laika sastāvdaļa
    • Vektora potenciāls ir trīsdimensiju vektors, ko veido atlikušās 4 vektora sastāvdaļas.
  • Pointinga vektors ir vektora fiziskais lielums, kam ir elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas blīvuma nozīme.

2. Pamatvienādojumi

Galvenie vienādojumi, kas apraksta elektromagnētiskā lauka uzvedību un tā mijiedarbību ar uzlādētiem ķermeņiem, ir:

  • Maksvela vienādojumi, kas nosaka brīva elektromagnētiskā lauka uzvedību vakuumā un vidē, kā arī lauka ģenerēšanu pēc avotiem. Starp šiem vienādojumiem ir:
    • Faradeja indukcijas likums, kas nosaka elektriskā lauka ģenerēšanu ar mainīgu magnētisko lauku.
    • Magnētiskā lauka cirkulācijas teorēma ar Maksvela ieviesto pārvietošanas strāvu pievienošanu nosaka magnētiskā lauka veidošanos, pārvietojot lādiņus un mainīgu elektrisko lauku
    • Gausa teorēma elektriskajam laukam, kas nosaka elektrostatiskā lauka veidošanos ar lādiņiem.
    • Magnētiskā lauka līniju slēgšanas likums.
  • Lorenca spēka izteiksme, kas nosaka spēku, kas iedarbojas uz lādiņu, kas atrodas elektromagnētiskajā laukā.
  • Džoula-Lenca likums, kas nosaka siltuma zudumu daudzumu vadošā vidē ar ierobežotu vadītspēju, ja tajā atrodas elektriskais lauks.

Īpaši īpaši svarīgi vienādojumi ir:

  • Kulona likums, kas apvieno Gausa teorēmu elektriskajam laukam un Lorenca spēku, un nosaka divu punktu lādiņu elektrostatisko mijiedarbību.
  • Ampera likums, kas nosaka spēku, kas iedarbojas uz elementāru strāvu, kas novietota magnētiskajā laukā.
  • Pointinga teorēma, kas izsaka enerģijas nezūdamības likumu elektrodinamikā.

3. Elektrodinamikas saturs

Klasiskās elektrodinamikas galvenais saturs ir elektromagnētiskā lauka īpašību apraksts un tā mijiedarbība ar uzlādētiem ķermeņiem (lādēti ķermeņi “ģenerē” elektromagnētisko lauku, ir tā “avoti”, un elektromagnētiskais lauks savukārt iedarbojas uz lādētiem ķermeņiem, radot elektromagnētiskie spēki). Šis apraksts papildus pamata objektu un lielumu, piemēram, elektriskā lādiņa, elektriskā lauka, magnētiskā lauka, elektromagnētiskā potenciāla, definēšanai ir reducēts līdz Maksvela vienādojumiem vienā vai otrā veidā un Lorenca spēka formulā, kā arī skar dažus saistītos jautājumus ( kas saistīti ar matemātisko fiziku, lietojumiem, palīglielumiem un lietojumiem svarīgām palīgformulām, piemēram, strāvas blīvuma vektoru vai empīrisko Oma likumu). Šis apraksts ietver arī jautājumus par enerģijas, impulsa, leņķiskā impulsa saglabāšanu un pārnešanu ar elektromagnētisko lauku, tostarp enerģijas blīvuma formulas, Pointinga vektoru utt.

Dažkārt elektrodinamiskie efekti (pretēji elektrostatikai) tiek saprasti kā tās būtiskās atšķirības starp elektromagnētiskā lauka uzvedības vispārējo gadījumu (piemēram, dinamisko attiecību starp mainīgajiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem) no statiskā gadījuma, kas padara konkrēto. statisko gadījumu ir daudz vienkāršāk aprakstīt, saprast un aprēķināt.


4. Elektrodinamikas sadaļas

  • Elektrostatika apraksta statiskā (laikā nemainās vai mainās pietiekami lēni, lai “elektrodinamiskos efektus” iepriekš aprakstītajā nozīmē) elektriskā lauka īpašības un tā mijiedarbību ar elektriski lādētiem ķermeņiem (elektriskajiem lādiņiem).
  • Magnetostatika pēta līdzstrāvas un pastāvīgus magnētiskos laukus (lauki laika gaitā nemainās vai mainās tik lēni, ka aprēķinos var neņemt vērā šo izmaiņu ātrumu), kā arī to mijiedarbību.
  • Nepārtraukta elektrodinamika pēta elektromagnētisko lauku uzvedību nepārtrauktā vidē.
  • Relativistiskā elektrodinamika ņem vērā elektromagnētiskos laukus kustīgos medijos.

5. Pielietojuma vērtība

Elektrodinamika ir fiziskās optikas, radioviļņu izplatīšanās fizikas pamatā, kā arī caurvij gandrīz visu fiziku, jo gandrīz visās fizikas nozarēs ir jāsaskaras ar elektriskajiem laukiem un lādiņiem, un bieži vien ar to nenozīmīgām straujām izmaiņām un kustībām. Turklāt elektrodinamika ir fizikālās teorijas paraugs (gan tās klasiskajā, gan kvantu versijā), kas apvieno ļoti augstu aprēķinu un prognožu precizitāti ar savā jomā dzimušo teorētisko ideju ietekmi uz citām teorētiskās fizikas jomām.

Elektrodinamikai ir liela nozīme tehnoloģijā, un tā veido pamatu: radiotehnikai, elektrotehnikai, dažādām sakaru un radio nozarēm.


6. Vēsture

Pirmais pierādījums saiknei starp elektriskajām un magnētiskajām parādībām bija Orsteda eksperimentālais atklājums 1819.–1820. gadā par magnētiskā lauka radīšanu ar elektrisko strāvu. Viņš arī izteica ideju par zināmu elektrisko un magnētisko procesu mijiedarbību telpā, kas ieskauj vadītāju, bet diezgan neskaidrā formā.

1831. gadā Maikls Faradejs eksperimentāli atklāja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu un likumu, kas kļuva par pirmo skaidru pierādījumu elektrisko un magnētisko lauku tiešajai dinamiskajai saistībai. Viņš arī izstrādāja (attiecībā uz elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem) fiziskā lauka jēdziena pamatus un dažus teorētiskos pamatjēdzienus, kas ļauj aprakstīt fiziskos laukus, kā arī paredzēja elektromagnētisko viļņu pastāvēšanu 1832. gadā.

1864. gadā J. C. Maxwell pirmo reizi publicēja pilnīgu "klasiskās elektrodinamikas" vienādojumu sistēmu, aprakstot elektromagnētiskā lauka attīstību un tā mijiedarbību ar lādiņiem un strāvām. Viņš izteica teorētiski pamatotu pieņēmumu, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis, t.i. elektrodinamikas objekts.

Elektrodinamika… Pareizrakstības vārdnīca-uzziņu grāmata

Klasiskā teorija (nekvantu) par elektromagnētiskā lauka uzvedību, kas veic mijiedarbību starp elektriskajiem. lādiņi (elektromagnētiskā mijiedarbība). Klasiskie likumi makroskopisks E. ir formulēti Maksvela vienādojumos, kas ļauj ... Fiziskā enciklopēdija

- (no vārda elektrība un grieķu dinamis jauda). Fizikas daļa, kas nodarbojas ar elektrisko strāvu darbību. Krievu valodā iekļauto svešvārdu vārdnīca. Chudinov A.N., 1910. ELEKTRODINAMIKA no vārda elektrība, un grieķu valoda. dinamisms, spēks... Krievu valodas svešvārdu vārdnīca

Mūsdienu enciklopēdija

Elektrodinamika- klasiskā, nekvantu elektromagnētisko procesu teorija, kurā galvenā loma ir lādētu daļiņu mijiedarbībai dažādās vidēs un vakuumā. Pirms elektrodinamikas veidošanās bija K. Kulona, ​​Dž. Biota, F. Savarta, ... ... Ilustrētā enciklopēdiskā vārdnīca

Klasiskā teorija par elektromagnētiskajiem procesiem dažādās vidēs un vakuumā. Aptver milzīgu parādību kopumu, kurā galvenā loma ir mijiedarbībai starp lādētām daļiņām, kas tiek veiktas caur elektromagnētisko lauku... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

ELEKTRODINAMIKA, fizikā, lauks, kas pēta mijiedarbību starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem un lādētiem ķermeņiem. Šī disciplīna aizsākās 19. gadsimtā. ar saviem teorētiskajiem darbiem Džeimss Maksvels vēlāk kļuva par daļu no... ... Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

ELEKTRODINAMIKA, elektrodinamika, daudzi citi. nē, sieviete (skat. elektrību un dinamiku) (fiziskā). Fizikas katedra, pēta elektriskās strāvas īpašības, elektrība kustībā; skudra elektrostatika. Ušakova skaidrojošā vārdnīca. D.N. Ušakovs. 1935 1940 ... Ušakova skaidrojošā vārdnīca

ELEKTRODINAMIKA un, g. (speciālists.). Elektromagnētisko procesu teorija dažādās vidēs un vakuumā. Ožegova skaidrojošā vārdnīca. S.I. Ožegovs, N.Ju. Švedova. 1949 1992… Ožegova skaidrojošā vārdnīca

Lietvārds, sinonīmu skaits: 2 dinamika (18) fizika (55) ASIS sinonīmu vārdnīca. V.N. Trišins. 2013… Sinonīmu vārdnīca

elektrodinamika- - [A.S. Goldbergs. Angļu-krievu enerģētikas vārdnīca. 2006] Enerģētikas tēmas vispārējā EN elektrodinamikā ... Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

Grāmatas

  • Elektrodinamika, A. E. Ivanovs. Šī mācību grāmata ir pašpietiekama: tajā ir sniegtas lekcijas, kuras vairākus gadus lasīja asociētais profesors MSTU specializētajā izglītības un zinātnes centrā. N. E. Baumans...
  • Elektrodinamika, Sergejs Anatoljevičs Ivanovs. ...

1. definīcija

Elektrodinamika ir milzīga un svarīga fizikas joma, kas pēta elektromagnētiskā lauka klasiskās, ne kvantu īpašības un pozitīvi lādētu magnētisko lādiņu kustību, kas mijiedarbojas savā starpā, izmantojot šo lauku.

1. attēls. Īsi par elektrodinamiku. Autors24 - studentu darbu tiešsaistes apmaiņa

Elektrodinamika, šķiet, ir plašs dažādu problēmu formulējumu un to inteliģento risinājumu, aptuveno metožu un īpašo gadījumu klāsts, ko vienā veselumā apvieno vispārīgi sākuma likumi un vienādojumi. Pēdējie, kas veido klasiskās elektrodinamikas galveno daļu, ir detalizēti parādīti Maksvela formulās. Šobrīd zinātnieki turpina pētīt šīs jomas principus fizikā, tās uzbūves skeletu, attiecības ar citām zinātnes jomām.

Kulona likumu elektrodinamikā apzīmē šādi: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, kur $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Elektriskā lauka intensitātes vienādojumu raksta šādi: $E= \frac (F)(q)$, un magnētiskā lauka indukcijas vektora plūsma $∆Ф=В∆S \cos (a)$.

Elektrodinamikā galvenokārt tiek pētīti brīvie lādiņi un lādiņu sistēmas, kas veicina nepārtraukta enerģijas spektra aktivizēšanu. Klasiskajam elektromagnētiskās mijiedarbības aprakstam ir labvēlīgs fakts, ka tā ir efektīva jau zemās enerģijas robežās, kad daļiņu un fotonu enerģijas potenciāls ir mazs, salīdzinot ar elektrona atpūtas enerģiju.

Šādās situācijās bieži vien nenotiek lādētu daļiņu iznīcināšana, jo to nestabilās kustības stāvoklis mainās tikai pakāpeniski, mainoties lielam skaitam zemas enerģijas fotonu.

1. piezīme

Tomēr pat pie lielām daļiņu enerģijām vidē, neskatoties uz nozīmīgo svārstību lomu, elektrodinamiku var veiksmīgi izmantot statistiski vidējo, makroskopisko raksturlielumu un procesu visaptverošam aprakstam.

Elektrodinamikas pamatvienādojumi

Galvenās formulas, kas raksturo elektromagnētiskā lauka uzvedību un tā tiešo mijiedarbību ar lādētiem ķermeņiem, ir Maksvela vienādojumi, kas nosaka brīvā elektromagnētiskā lauka iespējamās darbības vidē un vakuumā, kā arī lauka vispārējo ģenerēšanu pēc avotiem.

Starp šiem fizikas noteikumiem var izcelt:

  • Gausa teorēma elektriskajam laukam - paredzēta, lai noteiktu elektrostatiskā lauka veidošanos ar pozitīviem lādiņiem;
  • hipotēze par slēgtām lauka līnijām - veicina procesu mijiedarbību pašā magnētiskajā laukā;
  • Faradeja indukcijas likums - nosaka elektrisko un magnētisko lauku ģenerēšanu atkarībā no vides mainīgajām īpašībām.

Kopumā Ampere-Maxwell teorēma ir unikāla ideja par līniju cirkulāciju magnētiskajā laukā, pakāpeniski pievienojot paša Maksvela ieviestās nobīdes strāvas, kas precīzi nosaka magnētiskā lauka transformāciju, pārvietojot lādiņus un mainīgu darbību. elektriskais lauks.

Uzlāde un spēks elektrodinamikā

Elektrodinamikā elektromagnētiskā lauka spēka un lādiņa mijiedarbība izriet no šādas elektriskā lādiņa $q$, enerģijas $E$ un magnētiskā $B$ lauka kopīgās definīcijas, kas ir noteiktas kā fiziskais pamatlikums, kas balstīts uz visu eksperimentālo datu kopums. Lorenca spēka formula (ar noteiktu ātrumu kustīga punktveida lādiņa idealizācijas ietvaros) ir uzrakstīta ar ātruma $v$ aizstāšanu.

Vadītāji bieži satur milzīgu daudzumu lādiņu, tāpēc šie lādiņi ir diezgan labi kompensēti: pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits vienmēr ir vienāds. Līdz ar to kopējais elektriskais spēks, kas pastāvīgi iedarbojas uz vadītāju, arī ir nulle. Magnētiskie spēki, kas darbojas uz atsevišķiem lādiņiem vadītājā, galu galā netiek kompensēti, jo strāvas klātbūtnē lādiņu kustības ātrumi vienmēr ir atšķirīgi. Vadītāja darbības vienādojumu ar strāvu magnētiskajā laukā var uzrakstīt šādi: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $

Ja pētām nevis šķidrumu, bet gan pilnu un stabilu uzlādētu daļiņu plūsmu kā strāvu, tad viss enerģijas potenciāls, kas lineāri iet caur laukumu $1s$, būs strāvas stiprums, kas vienāds ar: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, kur $ρ$ ir lādiņa blīvums (uz tilpuma vienību kopējā plūsmā).

2. piezīme

Ja magnētiskais un elektriskais lauks sistemātiski mainās no punkta uz punktu noteiktā vietā, tad daļplūsmu izteiksmēs un formulās, tāpat kā šķidruma gadījumā, vidējās vērtības $E ⃗ $ un $ B ⃗ $ uz vietne ir jāievada.

Elektrodinamikas īpašā pozīcija fizikā

Elektrodinamikas nozīmīgo vietu mūsdienu zinātnē var apstiprināt ar slaveno A. Einšteina darbu, kurā tika detalizēti izklāstīti speciālās relativitātes teorijas principi un pamati. Izcilā zinātnieka zinātniskais darbs tiek saukts par “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”, un tas ietver milzīgu skaitu svarīgu vienādojumu un definīciju.

Kā atsevišķa fizikas joma elektrodinamika sastāv no šādām sadaļām:

  • doktrīna par stacionāru, bet elektriski lādētu fizisko ķermeņu un daļiņu jomu;
  • elektriskās strāvas īpašību doktrīna;
  • magnētiskā lauka un elektromagnētiskās indukcijas mijiedarbības doktrīna;
  • elektromagnētisko viļņu un svārstību izpēte.

Visas iepriekš minētās sadaļas vienā apvieno D. Maksvela teorēma, kurš ne tikai izveidoja un prezentēja sakarīgu elektromagnētiskā lauka teoriju, bet arī aprakstīja visas tā īpašības, pierādot tā reālo eksistenci. Šī konkrētā zinātnieka darbs zinātniskajai pasaulei parādīja, ka tajā laikā zināmie elektriskie un magnētiskie lauki ir tikai viena elektromagnētiskā lauka izpausme, kas darbojas dažādās atskaites sistēmās.

Ievērojama fizikas daļa ir veltīta elektrodinamikas un elektromagnētisko parādību izpētei. Šī joma lielā mērā pretendē uz atsevišķas zinātnes statusu, jo tā ne tikai pēta visus elektromagnētiskās mijiedarbības modeļus, bet arī sīki apraksta tos, izmantojot matemātiskās formulas. Dziļi un ilgstoši pētījumi elektrodinamikā ir pavēruši jaunus ceļus elektromagnētisko parādību izmantošanai praksē visas cilvēces labā.