W jakim stanie elektrodynamika odgrywa ważną rolę? Elektrodynamika, wzory

DEFINICJA

Pola elektromagnetyczne i interakcje elektromagnetyczne bada dział fizyki zwany elektrodynamika.

Elektrodynamika klasyczna bada i opisuje właściwości pól elektromagnetycznych. Bada prawa, według których pola elektromagnetyczne oddziałują z ciałami posiadającymi ładunek elektryczny.

Podstawowe pojęcia elektrodynamiki

Podstawą elektrodynamiki ośrodka stacjonarnego są równania Maxwella. Elektrodynamika operuje takimi podstawowymi pojęciami jak pole elektromagnetyczne, ładunek elektryczny, potencjał elektromagnetyczny, wektor Poyntinga.

Pole elektromagnetyczne to szczególny rodzaj materii, który objawia się, gdy jedno naładowane ciało oddziałuje z drugim. Często rozpatrując pole elektromagnetyczne rozróżnia się jego składowe: pole elektryczne i pole magnetyczne. Pole elektryczne wytwarza ładunek elektryczny lub zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne powstaje, gdy ładunek (ciało naładowane) porusza się i w obecności zmiennego w czasie pola elektrycznego.

Potencjał elektromagnetyczny to wielkość fizyczna określająca rozkład pola elektromagnetycznego w przestrzeni.

Elektrodynamikę dzielimy na: elektrostatykę; magnetostatyka; elektrodynamika kontinuum; elektrodynamika relatywistyczna.

Wektor Poyntinga (wektor Umova-Poyntinga) jest wielkością fizyczną będącą wektorem gęstości strumienia energii pola elektromagnetycznego. Wielkość tego wektora jest równa energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku propagacji energii elektromagnetycznej.

Elektrodynamika stanowi podstawę badania i rozwoju optyki (jako gałęzi nauki) i fizyki fal radiowych. Ta dziedzina nauki jest podstawą radiotechniki i elektrotechniki.

Elektrodynamika klasyczna opisując właściwości pól elektromagnetycznych i zasady ich oddziaływania, wykorzystuje układ równań Maxwella (w postaci całkowej lub różniczkowej), uzupełniając go o układ równań materiałowych, warunków brzegowych i początkowych.

Równania strukturalne Maxwella

Układ równań Maxwella ma takie samo znaczenie w elektrodynamice, jak prawa Newtona w mechanice klasycznej. Równania Maxwella otrzymano w wyniku uogólnienia wielu danych doświadczalnych. Wyróżnia się równania strukturalne Maxwella, zapisując je w postaci całkowej lub różniczkowej, oraz równania materiałowe łączące wektory z parametrami charakteryzującymi właściwości elektryczne i magnetyczne materii.

Równania strukturalne Maxwella w postaci całkowej (w układzie SI):

gdzie jest wektorem natężenia pola magnetycznego; jest wektorem gęstości prądu elektrycznego; - wektor przemieszczenia elektrycznego. Równanie (1) odzwierciedla prawo powstawania pól magnetycznych. Pole magnetyczne powstaje, gdy porusza się ładunek (prąd elektryczny) lub gdy zmienia się pole elektryczne. Równanie to jest uogólnieniem prawa Biota-Savarta-Laplace'a. Równanie (1) nazywa się twierdzeniem o cyrkulacji pola magnetycznego.

gdzie jest wektor indukcji pola magnetycznego; - wektor natężenia pola elektrycznego; L jest zamkniętą pętlą, przez którą krąży wektor natężenia pola elektrycznego. Inną nazwą równania (2) jest prawo indukcji elektromagnetycznej. Wyrażenie (2) oznacza, że ​​wirowe pole elektryczne powstaje w wyniku zmiennego pola magnetycznego.

gdzie jest ładunek elektryczny; - gęstość ładunku. Równanie (3) nazywa się twierdzeniem Ostrogradskiego-Gaussa. Źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne; istnieją ładunki elektryczne swobodne.

Równanie (4) wskazuje, że pole magnetyczne jest wirowe. Ładunki magnetyczne nie istnieją w przyrodzie.

Równania strukturalne Maxwella w postaci różniczkowej (układ SI):

gdzie jest wektorem natężenia pola elektrycznego; - wektor indukcji magnetycznej.

gdzie jest wektorem natężenia pola magnetycznego; - wektor przemieszczenia dielektryka; - wektor gęstości prądu.

gdzie jest gęstość rozkładu ładunku elektrycznego.

Równania strukturalne Maxwella w postaci różniczkowej określają pole elektromagnetyczne w dowolnym punkcie przestrzeni. Jeśli ładunki i prądy są rozmieszczone w przestrzeni w sposób ciągły, wówczas całkowa i różniczkowa postać równań Maxwella są równoważne. Jeśli jednak istnieją powierzchnie nieciągłości, wówczas całkowa forma zapisu równań Maxwella jest bardziej ogólna.

Aby osiągnąć matematyczną równoważność postaci całkowej i różniczkowej równań Maxwella, zapis różniczkowy uzupełnia się warunkami brzegowymi.

Z równań Maxwella wynika, że ​​zmienne pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne i odwrotnie, czyli pola te są nierozłączne i tworzą jedno pole elektromagnetyczne. Źródłem pola elektrycznego mogą być ładunki elektryczne lub zmienne w czasie pole magnetyczne. Pola magnetyczne są wzbudzane przez poruszające się ładunki elektryczne (prądy) lub zmienne pola elektryczne. Równania Maxwella nie są symetryczne w odniesieniu do pól elektrycznych i magnetycznych. Dzieje się tak, ponieważ istnieją ładunki elektryczne, ale nie ma ładunków magnetycznych.

Równania materiałowe

Układ równań strukturalnych Maxwella uzupełniają równania materiałowe, które odzwierciedlają związek wektorów z parametrami charakteryzującymi właściwości elektryczne i magnetyczne materii.

gdzie jest względną stałą dielektryczną, jest względną przenikalnością magnetyczną, jest właściwą przewodnością elektryczną, jest stałą elektryczną, jest stałą magnetyczną. Medium w tym przypadku uważa się za izotropowe, nieferromagnetyczne i nieferroelektryczne.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia

Wyprowadź postać różniczkową równania ciągłości z układu równań Maxwella.

Rozwiązanie

Jako podstawę do rozwiązania problemu używamy równania: gdzie jest obszarem dowolnej powierzchni, na której spoczywa zamknięty kontur L. Z (1.1) mamy: Rozważmy zatem nieskończenie mały kontur Ponieważ powierzchnia jest zamknięta, wyrażenie (1.2) można przepisać jako: Napiszmy kolejne równanie Maxwella: Zróżniczkujmy równanie (1.5) ze względu na czas, mamy: Uwzględniając wyrażenie (1.4), równanie (1.5) można przedstawić jako: Otrzymaliśmy równanie ciągłości (1.5) w postaci całkowej. Aby przejść do postaci różniczkowej równania ciągłości przejdźmy do granicy: Otrzymaliśmy równanie ciągłości w postaci różniczkowej:

PODSTAWY ELEKTRODYNAMIKI. ELEKTROSTATYKA

PODSTAWY ELEKTRODYNAMIKI

Elektrodynamika- nauka o właściwościach pola elektromagnetycznego.

Pole elektromagnetyczne- zdeterminowany ruchem i interakcją naładowanych cząstek.

Manifestacja pola elektrycznego/magnetycznego- jest to działanie sił elektrycznych/magnetycznych:
1) siły tarcia i siły sprężystości w makrokosmosie;
2) działanie sił elektrycznych/magnetycznych w mikrokosmosie (budowa atomowa, łączenie atomów w cząsteczki,
transformacja cząstek elementarnych)

Odkrycie pola elektrycznego/magnetycznego- J. Maxwella.

ELEKTROSTATYKA

Dział elektrodynamiki bada ciała naładowane elektrycznie w spoczynku.

Cząstki elementarne może mieć e-mail ładują, wtedy nazywa się je naładowanymi;
- oddziałują ze sobą siłami zależnymi od odległości pomiędzy cząstkami,
ale wielokrotnie przewyższają siły wzajemnej grawitacji (ta interakcja nazywa się
elektromagnetyczny).

E-mail opłata- fizyczne wartość określa intensywność oddziaływań elektrycznych/magnetycznych.
Istnieją 2 oznaki ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne.
Cząstki o podobnych ładunkach odpychają się, a cząstki o różnych ładunkach przyciągają.
Proton ma ładunek dodatni, elektron ma ładunek ujemny, a neutron jest elektrycznie obojętny.

Opłata podstawowa- opłata minimalna, której nie można podzielić.
Jak możemy wyjaśnić obecność sił elektromagnetycznych w przyrodzie?
- Wszystkie ciała zawierają naładowane cząstki.
W normalnym stanie organizmu el. neutralny (ponieważ atom jest obojętny) i elektryczny/magnetyczny. moce nie są manifestowane.

Ciało jest naładowane, jeżeli posiada nadmiar ładunków dowolnego znaku:
naładowany ujemnie - jeśli występuje nadmiar elektronów;
naładowany dodatnio - jeśli brakuje elektronów.

Elektryfikacja ciał- jest to jeden ze sposobów pozyskiwania naładowanych ciał, np. poprzez kontakt).
W tym przypadku oba ciała są naładowane, a ładunki mają przeciwny znak, ale równą wielkość.

Prawo zachowania ładunku elektrycznego.

W układzie zamkniętym algebraiczna suma ładunków wszystkich cząstek pozostaje niezmieniona.
(...ale nie liczba naładowanych cząstek, gdyż zachodzą przemiany cząstek elementarnych).

Zamknięty system

Układ cząstek, do którego naładowane cząstki nie wchodzą z zewnątrz i nie wychodzą.

prawo Coulomba

Podstawowe prawa elektrostatyki.

Siła oddziaływania pomiędzy dwoma punktowo naładowanymi ciałami stacjonarnymi w próżni jest wprost proporcjonalna
iloczyn modułów ładunku i jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Gdy ciała uważa się za ciała punktowe? - jeżeli odległość między nimi jest wielokrotnie większa niż wielkość ciał.
Jeżeli dwa ciała mają ładunki elektryczne, wówczas oddziałują one zgodnie z prawem Coulomba.

Jednostka ładunku elektrycznego
1 C to ładunek przechodzący przez przekrój przewodnika w ciągu 1 sekundy przy prądzie 1 A.
1 C to bardzo duży ładunek.
Ładunek elementarny:

POLE ELEKTRYCZNE

Wokół jest ładunek elektryczny, materialny.
Główna właściwość pola elektrycznego: działanie siły na wprowadzony do niego ładunek elektryczny.

Pole elektrostatyczne- pole stacjonarnego ładunku elektrycznego nie zmienia się w czasie.

Siła pola elektrycznego.- charakterystyka ilościowa el. pola.
jest stosunkiem siły, z jaką pole działa na wprowadzony ładunek punktowy, do wielkości tego ładunku.
- nie zależy od wielkości wprowadzonego ładunku, ale charakteryzuje pole elektryczne!

Kierunek wektora napięcia
pokrywa się z kierunkiem wektora siły działającej na ładunek dodatni i przeciwny do kierunku siły działającej na ładunek ujemny.

Siła pola ładunku punktowego:

gdzie q0 jest ładunkiem wytwarzającym pole elektryczne.
W dowolnym punkcie pola natężenie jest zawsze kierowane wzdłuż linii prostej łączącej ten punkt i q0.

WYDAJNOŚĆ ELEKTRYCZNA

Charakteryzuje zdolność dwóch przewodników do gromadzenia ładunku elektrycznego.
- nie zależy od q i U.
- zależy od wymiarów geometrycznych przewodników, ich kształtu, wzajemnego położenia, właściwości elektrycznych ośrodka pomiędzy przewodnikami.

Jednostki SI: (F - farad)

KONDENSATORY

Urządzenie elektryczne przechowujące ładunek
(dwa przewodniki oddzielone warstwą dielektryka).

Gdzie d jest znacznie mniejsze niż wymiary przewodnika.

Oznaczenie na schematach elektrycznych:

Całe pole elektryczne koncentruje się wewnątrz kondensatora.
Ładunek kondensatora to wartość bezwzględna ładunku na jednej z płytek kondensatora.

Rodzaje kondensatorów:
1. według rodzaju dielektryka: powietrzny, mikowy, ceramiczny, elektrolityczny
2. w zależności od kształtu płytek: płaskie, kuliste.
3. według wydajności: stała, zmienna (regulowana).

Pojemność elektryczna kondensatora płaskiego

gdzie S jest powierzchnią płytki (poszycia) kondensatora
d - odległość między płytami
eo - stała elektryczna
e - stała dielektryczna dielektryka

Łącznie z kondensatorami w obwodzie elektrycznym

równoległy

sekwencyjny

Następnie całkowita pojemność elektryczna (C):

przy połączeniu równoległym

.

przy połączeniu szeregowym

POŁĄCZENIA AC DC

Elektryczność- uporządkowany ruch naładowanych cząstek (wolnych elektronów lub jonów).
W tym przypadku prąd jest przekazywany przez przekrój przewodnika. ładunek (podczas ruchu termicznego naładowanych cząstek całkowity przeniesiony ładunek elektryczny = 0, ponieważ ładunki dodatnie i ujemne są kompensowane).

Kierunek e-mail aktualny- tradycyjnie przyjmuje się, że uwzględnia się kierunek ruchu cząstek naładowanych dodatnio (od + do -).

Działania e-mailowe prąd (w przewodniku):

efekt cieplny prądu- nagrzewanie przewodnika (z wyjątkiem nadprzewodników);

działanie chemiczne prądu - występuje tylko w elektrolitach Substancje tworzące elektrolit są uwalniane na elektrodach;

magnetyczne działanie prądu(główny) - obserwowany we wszystkich przewodnikach (odchylenie igły magnetycznej w pobliżu przewodnika z prądem i działanie siły prądu na sąsiednie przewodniki poprzez pole magnetyczne).

PRAWO OHMA DLA PRZEKROJU OBWODU

gdzie , R jest rezystancją sekcji obwodu. (sam przewodnik można również uznać za część obwodu).

Każdy przewodnik ma swoją własną charakterystykę prądowo-napięciową.

OPÓR

Podstawowe właściwości elektryczne przewodnika.
- zgodnie z prawem Ohma wartość ta jest stała dla danego przewodnika.

1 om to rezystancja przewodnika, którego końce mają różnicę potencjałów
przy 1 V, a natężenie prądu w nim wynosi 1 A.

Opór zależy tylko od właściwości przewodnika:

gdzie S jest polem przekroju przewodu, l jest długością przewodu,
ro - rezystywność charakteryzująca właściwości substancji przewodzącej.

OBWODY ELEKTRYCZNE

Składają się ze źródła, odbiornika prądu elektrycznego, przewodów i przełącznika.

POŁĄCZENIE SZEREGOWE PRZEWODÓW

I - natężenie prądu w obwodzie
U - napięcie na końcach odcinka obwodu

RÓWNOLEGŁE POŁĄCZENIE PRZEWODÓW

I - natężenie prądu w nierozgałęzionej części obwodu
U - napięcie na końcach odcinka obwodu
R - całkowita rezystancja odcinka obwodu

Pamiętaj, jak podłączone są przyrządy pomiarowe:

Amperomierz - połączony szeregowo z przewodnikiem, w którym mierzony jest prąd.

Woltomierz - podłączony równolegle do przewodu, na którym mierzone jest napięcie.

DZIAŁANIE DC

Aktualna praca- jest to praca pola elektrycznego polegająca na przenoszeniu ładunków elektrycznych wzdłuż przewodnika;

Praca wykonana przez prąd na odcinku obwodu jest równa iloczynowi prądu, napięcia i czasu, w którym praca została wykonana.

Korzystając ze wzoru na prawo Ohma dla odcinka obwodu, możesz napisać kilka wersji wzoru na obliczenie pracy prądu:

Zgodnie z prawem zachowania energii:

Praca jest równa zmianie energii odcinka obwodu, zatem energia wydzielona przez przewodnik jest równa pracy prądu.

W układzie SI:

PRAWO JOULE’A-LENZA

Kiedy prąd przepływa przez przewodnik, przewodnik nagrzewa się i następuje wymiana ciepła z otoczeniem, tj. przewodnik oddaje ciepło otaczającym go ciałom.

Ilość ciepła wydzielanego przez przewodnik przenoszący prąd do otoczenia jest równa iloczynowi kwadratu natężenia prądu, rezystancji przewodnika i czasu przepływu prądu przez przewodnik.

Zgodnie z prawem zachowania energii ilość ciepła wydzielonego przez przewodnik jest liczbowo równa pracy wykonanej przez prąd przepływający przez ten przewodnik w tym samym czasie.

W układzie SI:

[Q] = 1 J

ZASILANIE DC

Stosunek pracy wykonanej przez prąd w czasie t do tego przedziału czasu.

W układzie SI:

Zjawisko nadprzewodnictwa

Odkrycie nadprzewodnictwa niskotemperaturowego:
1911 - Holenderski naukowiec Kamerling - Onnes
obserwowane w bardzo niskich temperaturach (poniżej 25 K) w wielu metalach i stopach;
W takich temperaturach rezystywność tych substancji staje się znikomo mała.

W 1957 roku podano teoretyczne wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa:
Cooper (USA), Bogolubow (ZSRR)

1957 Eksperyment Collinsa: prąd w obwodzie zamkniętym bez źródła prądu nie ustał przez 2,5 roku.

W 1986 roku odkryto nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (w temperaturze 100 K) (w przypadku ceramiki metalowej).

Trudność uzyskania nadprzewodnictwa:
- potrzeba silnego chłodzenia substancji

Obszar zastosowań:
- uzyskiwanie silnych pól magnetycznych;
- mocne elektromagnesy z uzwojeniem nadprzewodzącym w akceleratorach i generatorach.

Obecnie w energetyce tak wielki problem
- duże straty energii elektrycznej podczas przesyłu ją przewodem.

Możliwe rozwiązanie Problemy:
w przypadku nadprzewodnictwa rezystancja przewodników wynosi w przybliżeniu 0
a straty energii są znacznie zmniejszone.

Substancja o najwyższej temperaturze nadprzewodnictwa
W 1988 roku w USA w temperaturze –148°C uzyskano zjawisko nadprzewodnictwa. Przewodnikiem była mieszanina tlenków talu, wapnia, baru i miedzi – Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.

Półprzewodnik -

Substancja, której rezystywność może zmieniać się w szerokim zakresie i bardzo szybko maleje wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że ​​wzrasta przewodność elektryczna (1/R).
- obserwowane w krzemie, germanie, selenie i niektórych związkach.

Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach

Kryształy półprzewodników mają atomową sieć krystaliczną, w której zewnętrzne elektrony są związane z sąsiednimi atomami wiązaniami kowalencyjnymi.
W niskich temperaturach czyste półprzewodniki nie mają wolnych elektronów i zachowują się jak izolator.

PRĄD ELEKTRYCZNY W PRÓŻNI

Co to jest próżnia?
- jest to stopień rozrzedzenia gazu, przy którym praktycznie nie dochodzi do zderzeń cząsteczek;

Prąd elektryczny nie jest możliwy, ponieważ możliwa liczba zjonizowanych cząsteczek nie może zapewnić przewodności elektrycznej;
- możliwe jest wytworzenie prądu elektrycznego w próżni, jeśli użyje się źródła naładowanych cząstek;
- działanie źródła cząstek naładowanych można oprzeć na zjawisku emisji termoelektrycznej.

Emisja termojonowa

- jest to emisja elektronów przez ciała stałe lub ciekłe podczas ich podgrzewania do temperatur odpowiadających widzialnemu blaskowi gorącego metalu.
Ogrzana elektroda metalowa w sposób ciągły emituje elektrony, tworząc wokół siebie chmurę elektronów.
W stanie równowagi liczba elektronów, które opuściły elektrodę, jest równa liczbie elektronów, które do niej wróciły (ponieważ elektroda staje się naładowana dodatnio w przypadku utraty elektronów).
Im wyższa temperatura metalu, tym większa gęstość chmury elektronów.

Dioda próżniowa

Prąd elektryczny w próżni jest możliwy w lampach próżniowych.
Rura próżniowa to urządzenie wykorzystujące zjawisko emisji termoelektrycznej.

Dioda próżniowa to dwuelektrodowa (A - anoda i K - katoda) lampa elektronowa.
Wewnątrz szklanego pojemnika wytwarza się bardzo niskie ciśnienie

H - włókno umieszczone wewnątrz katody w celu jej ogrzewania. Powierzchnia nagrzanej katody emituje elektrony. Jeśli anoda jest podłączona do + źródła prądu, a katoda jest podłączona do -, wówczas obwód płynie
stały prąd termionowy. Dioda próżniowa ma przewodność jednokierunkową.
Te. prąd w anodzie jest możliwy, jeśli potencjał anody jest wyższy niż potencjał katody. W tym przypadku elektrony z chmury elektronów są przyciągane do anody, tworząc w próżni prąd elektryczny.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody próżniowej.

Przy niskich napięciach anodowych nie wszystkie elektrony emitowane przez katodę docierają do anody, a prąd elektryczny jest niewielki. Przy wysokich napięciach prąd osiąga nasycenie, tj. maksymalna wartość.
Dioda próżniowa służy do prostowania prądu przemiennego.

Prąd na wejściu prostownika diodowego:

Prąd wyjściowy prostownika:

Wiązki elektronów

Jest to strumień szybko latających elektronów w lampach próżniowych i urządzeniach wyładowczych.

Właściwości wiązek elektronów:

Ugina się w polach elektrycznych;
- odchylają się w polach magnetycznych pod wpływem siły Lorentza;
- gdy wiązka uderzająca w substancję ulega wyhamowaniu, pojawia się promieniowanie rentgenowskie;
- powoduje świecenie (luminescencję) niektórych ciał stałych i cieczy (luminofory);
- podgrzać substancję poprzez kontakt z nią.

Lampa elektronopromieniowa (CRT)

Wykorzystuje się zjawiska emisji termoelektrycznej i właściwości wiązek elektronów.

CRT składa się z działa elektronowego oraz deflektorów poziomych i pionowych
płytki elektrodowe i ekran.
W działo elektronowe elektrony emitowane przez nagrzaną katodę przechodzą przez elektrodę siatki sterującej i są przyspieszane przez anody. Działo elektronowe skupia wiązkę elektronów w punkcie i zmienia jasność światła na ekranie. Odchylane płytki poziome i pionowe umożliwiają przesunięcie wiązki elektronów na ekranie w dowolne miejsce na ekranie. Ekran lampy pokryty jest luminoforem, który zaczyna świecić pod wpływem bombardowania elektronami.

Istnieją dwa rodzaje rur:

1) z elektrostatyczną kontrolą wiązki elektronów (odchylenie wiązki elektrycznej tylko przez pole elektryczne);
2) ze sterowaniem elektromagnetycznym (dodano cewki odchylające pole magnetyczne).

Główne zastosowania CRT:

kineskopy w sprzęcie telewizyjnym;
wyświetlacze komputerowe;
Oscyloskopy elektroniczne w technice pomiarowej.

PRĄD ELEKTRYCZNY W GAZACH

W normalnych warunkach gaz jest dielektrykiem, tj. składa się z obojętnych atomów i cząsteczek i nie zawiera wolnych nośników prądu elektrycznego.
Gaz przewodzący jest gazem zjonizowanym. Zjonizowany gaz ma przewodność elektronowo-jonową.

Powietrze jest dielektrykiem w liniach energetycznych, kondensatorach powietrznych i przełącznikach stykowych.

Powietrze jest przewodnikiem podczas wyładowań atmosferycznych, iskry elektrycznej lub łuku spawalniczego.

Jonizacja gazu

Jest to rozkład neutralnych atomów lub cząsteczek na jony dodatnie i elektrony poprzez usunięcie elektronów z atomów. Jonizacja zachodzi, gdy gaz jest podgrzewany lub wystawiony na działanie promieniowania (UV, promieni rentgenowskich, promieniotwórczych) i można ją wytłumaczyć rozpadem atomów i cząsteczek podczas zderzeń przy dużych prędkościach.

Wyładowanie gazu

Jest to prąd elektryczny w zjonizowanych gazach.
Nośnikami ładunku są jony dodatnie i elektrony. Wyładowanie gazowe obserwuje się w lampach wyładowczych (lampach) wystawionych na działanie pola elektrycznego lub magnetycznego.

Rekombinacja cząstek naładowanych

- gaz przestaje być przewodnikiem w przypadku ustania jonizacji, następuje to w wyniku rekombinacji (połączenia przeciwnie naładowanych cząstek).

Występuje samopodtrzymujący i niesamopodtrzymujący wypływ gazu.

Niesamopodtrzymujący się wypływ gazu

Jeśli działanie jonizatora zostanie zatrzymane, wyładowanie również ustanie.

Gdy wyładowanie osiągnie stan nasycenia, wykres staje się poziomy. Tutaj przewodność elektryczna gazu jest spowodowana jedynie działaniem jonizatora.

Samopodtrzymujący się wypływ gazu

W tym przypadku wyładowanie gazu trwa nawet po wyłączeniu jonizatora zewnętrznego z powodu jonów i elektronów powstałych w wyniku jonizacji uderzeniowej (= jonizacja porażenia prądem); następuje, gdy wzrasta różnica potencjałów pomiędzy elektrodami (występuje lawina elektronów).
Niesamopodtrzymujący wyładowanie gazu może przekształcić się w samopodtrzymujący wyładowanie gazu, gdy Ua = Uzapłon.

Elektryczny rozkład gazu

Proces przejścia niesamowystarczalnego wyładowania gazu w samopodtrzymujący się.

Następuje samopodtrzymujące się wyładowanie gazu 4 typy:

1. tlenie – przy niskich ciśnieniach (do kilku mm Hg) – obserwowane w lampach gazowych i laserach gazowych.
2. iskra - przy normalnym ciśnieniu i dużym natężeniu pola elektrycznego (piorun - natężenie prądu do setek tysięcy amperów).
3. korona - przy normalnym ciśnieniu w nierównomiernym polu elektrycznym (na końcówce).
4. łuk - duża gęstość prądu, niskie napięcie pomiędzy elektrodami (temperatura gazu w kanale łuku -5000-6000 stopni Celsjusza); obserwowane w reflektorach i sprzęcie projekcyjnym.

Wyładowania te obserwuje się:

tlenie się - w lampach fluorescencyjnych;
iskra – w błyskawicy;
korona - w elektrofiltrach podczas wycieku energii;
łuk - podczas spawania, w lampach rtęciowych.

Osocze

Jest to czwarty stan agregacji substancji o wysokim stopniu jonizacji w wyniku zderzenia cząsteczek z dużą prędkością w wysokiej temperaturze; spotykane w przyrodzie: jonosfera – słabo zjonizowana plazma, Słońce – w pełni zjonizowana plazma; sztuczna plazma - w lampach wyładowczych.

Plazma może być:

Niska temperatura - w temperaturach poniżej 100 000 K;
wysoka temperatura - w temperaturach powyżej 100 000 K.

Podstawowe właściwości plazmy:

Wysoka przewodność elektryczna
- silne oddziaływanie z zewnętrznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi.

W temperaturze

Każda substancja jest w stanie plazmowym.

Co ciekawe, 99% materii we Wszechświecie to plazma

PYTANIA TESTOWE DO TESTU

Plan:

Wstęp

• 1 Podstawowe koncepcje
• 2 Podstawowe równania
• 3 Treść elektrodynamiki
• 4 Sekcje elektrodynamiki
• 5 Wartość aplikacji
• 6 Historia

Wstęp

Elektrodynamika- dział fizyki zajmujący się badaniem pola elektromagnetycznego w najbardziej ogólnym przypadku (to znaczy uwzględnia się pola zmienne zależne od czasu) i jego oddziaływaniem z ciałami posiadającymi ładunek elektryczny (oddziaływanie elektromagnetyczne). Przedmiot elektrodynamiki obejmuje związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych, promieniowanie elektromagnetyczne (w różnych stanach, zarówno swobodne, jak i w różnych przypadkach oddziaływania z materią), prąd elektryczny (ogólnie mówiąc zmienny) i jego oddziaływanie z polem elektromagnetycznym (prąd elektryczny można wziąć pod uwagę, gdy przypomina to zbiór poruszających się naładowanych cząstek). Wszelkie oddziaływania elektryczne i magnetyczne pomiędzy naładowanymi ciałami są uważane we współczesnej fizyce za zachodzące poprzez pole elektromagnetyczne i dlatego są również przedmiotem elektrodynamiki.

Najczęściej pod terminem elektrodynamika domyślnie rozumiana jest klasyczna (nie wpływająca na efekty kwantowe) elektrodynamika; Aby opisać współczesną kwantową teorię pola elektromagnetycznego i jego interakcji z naładowanymi cząstkami, zwykle używa się stabilnego terminu elektrodynamika kwantowa.

1. Podstawowe pojęcia

Do podstawowych pojęć stosowanych w elektrodynamice należą:

• Pole elektromagnetyczne jest głównym przedmiotem badań elektrodynamiki, rodzaju materii, która objawia się podczas interakcji z naładowanymi ciałami. Historycznie podzielony na dwie dziedziny:
  • Pole elektryczne - wytwarzane przez dowolne naładowane ciało lub zmienne pole magnetyczne, oddziałuje na każde naładowane ciało.
  • Pole magnetyczne - powstające w wyniku poruszania się naładowanych ciał, naładowanych ciał o spinie i zmiennego pola elektrycznego, oddziałuje na poruszające się ładunki i ciała naładowane ze spinem.
• Ładunek elektryczny to właściwość ciał, która pozwala im wytwarzać pola elektromagnetyczne, a także oddziaływać z tymi polami.
• Potencjał elektromagnetyczny to 4-wektorowa wielkość fizyczna, która całkowicie określa rozkład pola elektromagnetycznego w przestrzeni. Atrakcja:
  • Potencjał elektrostatyczny - składowa czasu 4-wektora
  • Potencjał wektorowy to trójwymiarowy wektor utworzony przez pozostałe składniki wektora 4.
• Wektor Poyntinga jest wektorową wielkością fizyczną, która oznacza gęstość strumienia energii pola elektromagnetycznego.

2. Podstawowe równania

Podstawowe równania opisujące zachowanie pola elektromagnetycznego i jego oddziaływanie z ciałami naładowanymi to:

• Równania Maxwella, które określają zachowanie swobodnego pola elektromagnetycznego w próżni i ośrodku, a także generowanie pola przez źródła. Wśród tych równań są:
  • Prawo indukcji Faradaya, które określa wytwarzanie pola elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.
  • Twierdzenie o cyrkulacji pola magnetycznego z dodatkiem prądów przemieszczenia wprowadzone przez Maxwella określa wytwarzanie pola magnetycznego przez poruszające się ładunki i zmienne pole elektryczne
  • Twierdzenie Gaussa dotyczące pola elektrycznego, które określa wytwarzanie pola elektrostatycznego przez ładunki.
  • Prawo domknięcia linii pola magnetycznego.
• Wyrażenie siły Lorentza określające siłę działającą na ładunek znajdujący się w polu elektromagnetycznym.
• Prawo Joule'a-Lenza, które określa wielkość strat ciepła w ośrodku przewodzącym o skończonej przewodności, w obecności w nim pola elektrycznego.

Szczególne równania o szczególnym znaczeniu to:

• Prawo Coulomba, które łączy twierdzenie Gaussa o polu elektrycznym i sile Lorentza oraz określa oddziaływanie elektrostatyczne dwóch ładunków punktowych.
• Prawo Ampera, które określa siłę działającą na elementarny prąd umieszczony w polu magnetycznym.
• Twierdzenie Poyntinga wyrażające prawo zachowania energii w elektrodynamice.

3. Treść elektrodynamiki

Główną treścią elektrodynamiki klasycznej jest opis właściwości pola elektromagnetycznego i jego oddziaływania z ciałami naładowanymi (ciała naładowane „generują” pole elektromagnetyczne, są jego „źródłami”, a pole elektromagnetyczne z kolei oddziałuje na ciała naładowane, tworząc siły elektromagnetyczne). Opis ten, oprócz zdefiniowania podstawowych obiektów i wielkości, takich jak ładunek elektryczny, pole elektryczne, pole magnetyczne, potencjał elektromagnetyczny, sprowadza się do równań Maxwella w takiej czy innej formie i wzoru na siłę Lorentza, a także porusza pewne zagadnienia z tym związane ( związane z fizyką matematyczną, zastosowaniami, wielkościami pomocniczymi i ważnymi dla zastosowań wzorami pomocniczymi, takimi jak wektor gęstości prądu czy empiryczne prawo Ohma). Opis ten obejmuje także zagadnienia zachowania i przenoszenia energii, pędu, momentu pędu przez pole elektromagnetyczne, w tym wzory na gęstość energii, wektor Poyntinga itp.

Czasami przez efekty elektrodynamiczne (w przeciwieństwie do elektrostatyki) rozumie się te istotne różnice pomiędzy ogólnym przypadkiem zachowania pola elektromagnetycznego (na przykład dynamiczną zależnością pomiędzy zmieniającymi się polami elektrycznymi i magnetycznymi) od przypadku statycznego, które sprawiają, że dany przypadek statyczny jest znacznie prostszy do opisania, zrozumienia i obliczenia.

4. Działy elektrodynamiki

• Elektrostatyka opisuje właściwości statycznego (niezmiennego w czasie lub zmieniającego się na tyle wolno, że można pominąć „efekty elektrodynamiczne” w sensie opisanym powyżej) pola elektrycznego i jego oddziaływania z ciałami naładowanymi elektrycznie (ładunkami elektrycznymi).
• Magnetostatyka bada prądy stałe i stałe pola magnetyczne (pola nie zmieniają się w czasie lub zmieniają się na tyle wolno, że prędkość tych zmian można pominąć w obliczeniach), a także ich interakcję.
• Elektrodynamika ciągła bada zachowanie pól elektromagnetycznych w ośrodkach ciągłych.
• Elektrodynamika relatywistyczna uwzględnia pola elektromagnetyczne w poruszających się ośrodkach.

5. Wartość aplikacji

Elektrodynamika leży u podstaw optyki fizycznej, fizyki propagacji fal radiowych, a także przenika prawie całą fizykę, ponieważ prawie wszystkie gałęzie fizyki mają do czynienia z polami elektrycznymi i ładunkami, a często z ich nietrywialnymi szybkimi zmianami i ruchami. Ponadto elektrodynamika jest wzorową teorią fizyczną (zarówno w jej wersji klasycznej, jak i kwantowej), łączącą bardzo dużą dokładność obliczeń i przewidywań z wpływem idei teoretycznych zrodzonych w jej dziedzinie na inne obszary fizyki teoretycznej.

Elektrodynamika ma ogromne znaczenie w technice i stanowi podstawę: radiotechniki, elektrotechniki, różnych dziedzin łączności i radia.

6. Historia

Pierwszym dowodem na związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych było eksperymentalne odkrycie Oersteda w latach 1819-1820 dotyczące wytwarzania pola magnetycznego przez prąd elektryczny. Wyraził także ideę pewnego oddziaływania procesów elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni otaczającej przewodnik, ale w dość niejasnej formie.

W 1831 roku Michael Faraday eksperymentalnie odkrył zjawisko i prawo indukcji elektromagnetycznej, co stało się pierwszym wyraźnym dowodem bezpośredniego dynamicznego związku pól elektrycznych i magnetycznych. Opracował także (w odniesieniu do pola elektrycznego i magnetycznego) podstawy pojęcia pola fizycznego i kilka podstawowych koncepcji teoretycznych umożliwiających opis pól fizycznych, a także przewidział istnienie fal elektromagnetycznych w 1832 roku.

W 1864 roku J. C. Maxwell po raz pierwszy opublikował kompletny układ równań „elektrodynamiki klasycznej”, opisujący ewolucję pola elektromagnetycznego i jego oddziaływanie z ładunkami i prądami. Przyjął teoretyczne założenie, że światło jest falą elektromagnetyczną, tj. przedmiot elektrodynamiki.

Elektrodynamika... Słownik ortografii – podręcznik

Klasyczna (niekwantowa) teoria zachowania pola elektromagnetycznego, w której przeprowadzane jest oddziaływanie elektryczne. ładunki (oddziaływanie elektromagnetyczne). Prawa klasyczne makroskopijny E. są formułowane w równaniach Maxwella, które pozwalają ... Encyklopedia fizyczna

- (od słowa elektryczność i grecka moc dinamis). Część fizyki zajmująca się działaniem prądów elektrycznych. Słownik słów obcych zawartych w języku rosyjskim. Chudinov A.N., 1910. ELEKTRODYNAMIKA od słowa elektryczność i greckiego. dynamika, siła... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

Nowoczesna encyklopedia

Elektrodynamika- klasyczna teoria niekwantowych procesów elektromagnetycznych, w której główną rolę odgrywają oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami w różnych ośrodkach i w próżni. Powstanie elektrodynamiki poprzedziły prace C. Coulomba, J. Biota, F. Savarta, ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Klasyczna teoria procesów elektromagnetycznych w różnych ośrodkach i w próżni. Obejmuje ogromny zespół zjawisk, w których główną rolę odgrywają oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami przeprowadzane poprzez pole elektromagnetyczne... Wielki słownik encyklopedyczny

ELEKTRODYNAMIKA, w fizyce, dziedzina zajmująca się badaniem interakcji między polami elektrycznymi i magnetycznymi a ciałami naładowanymi. Dyscyplina ta rozpoczęła się w XIX wieku. dzięki swoim pracom teoretycznym James MAXWELL stała się później częścią... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

ELEKTRODYNAMIKA, elektrodynamika i wiele innych. nie, kobieta (patrz elektryczność i dynamika) (fizyczna). Katedra fizyki zajmująca się badaniem właściwości prądu elektrycznego, elektryczności w ruchu; Mrówka. elektrostatyka. Słownik objaśniający Uszakowa. D.N. Uszakow. 1935 1940… Słownik wyjaśniający Uszakowa

ELEKTRODYNAMIKA, oraz g. (specjalista.). Teoria procesów elektromagnetycznych w różnych ośrodkach i w próżni. Słownik objaśniający Ożegowa. SI. Ozhegov, N.Yu. Szwedowa. 1949 1992 … Słownik wyjaśniający Ożegowa

Rzeczownik, liczba synonimów: 2 dynamika (18) fizyka (55) Słownik synonimów ASIS. V.N. Trishin. 2013… Słownik synonimów

elektrodynamika- - [A.S. Goldberg. Angielsko-rosyjski słownik energii. 2006] Tematyka elektroenergetyki ogólnie EN elektrodynamika... Przewodnik tłumacza technicznego

Książki

• Elektrodynamika, A. E. Iwanow. Podręcznik ten jest samowystarczalny: prezentuje wykłady prowadzone przez szereg lat przez profesora nadzwyczajnego w specjalistycznym ośrodku dydaktyczno-naukowym MSTU. N.E. Bauman...
• Elektrodynamika, Siergiej Anatoliewicz Iwanow. ...

Definicja 1

Elektrodynamika to ogromna i ważna dziedzina fizyki badająca klasyczne, niekwantowe właściwości pola elektromagnetycznego oraz ruch dodatnio naładowanych ładunków magnetycznych oddziałujących ze sobą za pomocą tego pola.

Rysunek 1. Krótko o elektrodynamice. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich

Elektrodynamika wydaje się być szeroką gamą różnych sformułowań problemów i ich inteligentnych rozwiązań, metod przybliżonych i przypadków specjalnych, które łączą się w jedną całość za pomocą ogólnych praw początkowych i równań. Te ostatnie, stanowiące główną część elektrodynamiki klasycznej, szczegółowo przedstawiono we wzorach Maxwella. Obecnie naukowcy kontynuują badania zasad tej dziedziny w fizyce, szkieletu jej budowy, powiązań z innymi dziedzinami nauki.

Prawo Coulomba w elektrodynamice oznacza się następująco: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, gdzie $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Równanie natężenia pola elektrycznego zapisuje się następująco: $E= \frac (F)(q)$ oraz strumień wektora indukcji pola magnetycznego $∆Ф=В∆S \cos (a)$.

W elektrodynamice bada się przede wszystkim ładunki swobodne i układy ładunków, które przyczyniają się do aktywacji ciągłego widma energii. Klasycznemu opisowi oddziaływania elektromagnetycznego sprzyja fakt, że jest ono skuteczne już w dolnej granicy energii, gdy potencjał energetyczny cząstek i fotonów jest niewielki w porównaniu z energią spoczynkową elektronu.

W takich sytuacjach często nie dochodzi do anihilacji cząstek naładowanych, gdyż następuje jedynie stopniowa zmiana stanu ich niestabilnego ruchu w wyniku wymiany dużej liczby fotonów o niskiej energii.

Notatka 1

Jednak nawet przy wysokich energiach cząstek w ośrodku, pomimo istotnej roli fluktuacji, elektrodynamikę można z powodzeniem zastosować do kompleksowego opisu statystycznie średnich, makroskopowych charakterystyk i procesów.

Podstawowe równania elektrodynamiki

Głównymi wzorami opisującymi zachowanie pola elektromagnetycznego i jego bezpośrednie oddziaływanie z ciałami naładowanymi są równania Maxwella, które określają prawdopodobne działania swobodnego pola elektromagnetycznego w ośrodku i próżni, a także ogólną generację pola według źródeł.

Wśród tych przepisów w fizyce można wyróżnić:

• Twierdzenie Gaussa o polu elektrycznym – mające na celu określenie wytwarzania pola elektrostatycznego przez ładunki dodatnie;
• hipoteza zamkniętych linii pola - sprzyja oddziaływaniu procesów w samym polu magnetycznym;
• Prawo indukcji Faradaya - stwierdza powstawanie pól elektrycznych i magnetycznych pod wpływem zmiennych właściwości otoczenia.

Ogólnie rzecz biorąc, twierdzenie Ampera-Maxwella jest unikalnym pomysłem na cyrkulację linii w polu magnetycznym ze stopniowym dodawaniem prądów przemieszczenia wprowadzonych przez samego Maxwella, które precyzyjnie określa transformację pola magnetycznego przez poruszające się ładunki i zmienne działanie pole elektryczne.

Ładunek i siła w elektrodynamice

W elektrodynamice oddziaływanie siły i ładunku pola elektromagnetycznego wynika z następującej wspólnej definicji pola ładunku elektrycznego $q$, energii $E$ i pola magnetycznego $B$, które są ustalone jako podstawowe prawo fizyczne oparte na całym zbiór danych eksperymentalnych. Wzór na siłę Lorentza (w ramach idealizacji ładunku punktowego poruszającego się z określoną prędkością) zapisuje się poprzez podstawienie prędkości $v$.

Przewodniki często zawierają ogromną ilość ładunków, dlatego ładunki te są dość dobrze kompensowane: liczba ładunków dodatnich i ujemnych jest zawsze sobie równa. W rezultacie całkowita siła elektryczna, która stale działa na przewodnik, również wynosi zero. Siły magnetyczne działające na poszczególne ładunki w przewodniku ostatecznie nie są kompensowane, ponieważ w obecności prądu prędkości ruchu ładunków są zawsze różne. Równanie działania przewodnika z prądem w polu magnetycznym można zapisać następująco: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $

Jeśli badamy nie ciecz, ale pełny i stabilny przepływ naładowanych cząstek jako prąd, wówczas cały potencjał energii przechodzący liniowo przez obszar dla $1s$ będzie miał natężenie prądu równe: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, gdzie $ρ$ to gęstość ładunku (na jednostkę objętości całkowitego przepływu).

Uwaga 2

Jeżeli pole magnetyczne i elektryczne systematycznie zmienia się z punktu do punktu w określonym miejscu, to we wyrażeniach i wzorach na przepływy cząstkowe, podobnie jak w przypadku cieczy, średnie wartości $E ⃗ $ i $B ⃗$ na należy wpisać witrynę.

Szczególne miejsce elektrodynamiki w fizyce

Znaczącą pozycję elektrodynamiki we współczesnej nauce potwierdza słynna praca A. Einsteina, w której szczegółowo nakreślono zasady i podstawy szczególnej teorii względności. Praca naukowa wybitnego naukowca nosi tytuł „O elektrodynamice ciał w ruchu” i zawiera ogromną liczbę ważnych równań i definicji.

Elektrodynamika, jako odrębna dziedzina fizyki, składa się z następujących działów:

• doktryna pola stacjonarnych, ale naładowanych elektrycznie ciał i cząstek fizycznych;
• doktryna o właściwościach prądu elektrycznego;
• doktryna oddziaływania pola magnetycznego i indukcji elektromagnetycznej;
• badanie fal elektromagnetycznych i oscylacji.

Wszystkie powyższe rozdziały łączy w jedną całość twierdzenie D. Maxwella, który nie tylko stworzył i przedstawił spójną teorię pola elektromagnetycznego, ale także opisał wszystkie jego właściwości, udowadniając jego realne istnienie. Prace tego konkretnego naukowca pokazały światu naukowemu, że znane wówczas pola elektryczne i magnetyczne są jedynie przejawem pojedynczego pola elektromagnetycznego działającego w różnych układach odniesienia.

Znaczna część fizyki poświęcona jest badaniu elektrodynamiki i zjawisk elektromagnetycznych. Dziedzina ta w dużej mierze pretenduje do miana odrębnej nauki, gdyż nie tylko bada wszelkie wzorce oddziaływań elektromagnetycznych, ale także szczegółowo je opisuje za pomocą wzorów matematycznych. Głębokie i długotrwałe badania w dziedzinie elektrodynamiki otworzyły nowe możliwości wykorzystania zjawisk elektromagnetycznych w praktyce, z korzyścią dla całej ludzkości.