Para qual estado a eletrodinâmica desempenha um papel importante? Eletrodinâmica, fórmulas

DEFINIÇÃO

Os campos eletromagnéticos e as interações eletromagnéticas são estudados por um ramo da física chamado eletrodinâmica.

A eletrodinâmica clássica estuda e descreve as propriedades dos campos eletromagnéticos. Examina as leis pelas quais os campos eletromagnéticos interagem com corpos com carga elétrica.

Conceitos básicos de eletrodinâmica

A base da eletrodinâmica de um meio estacionário são as equações de Maxwell. A eletrodinâmica opera com conceitos básicos como campo eletromagnético, carga elétrica, potencial eletromagnético, vetor de Poynting.

Um campo eletromagnético é um tipo especial de matéria que se manifesta quando um corpo carregado interage com outro. Muitas vezes, ao considerar um campo eletromagnético, seus componentes são diferenciados: campo elétrico e campo magnético. Um campo elétrico cria uma carga elétrica ou um campo magnético alternado. Um campo magnético surge quando uma carga (corpo carregado) se move e na presença de um campo elétrico variável no tempo.

O potencial eletromagnético é uma quantidade física que determina a distribuição do campo eletromagnético no espaço.

A eletrodinâmica divide-se em: eletrostática; magnetostática; eletrodinâmica do contínuo; eletrodinâmica relativística.

O vetor Poynting (vetor Umov-Poynting) é uma grandeza física que é o vetor da densidade do fluxo de energia do campo eletromagnético. A magnitude deste vetor é igual à energia que é transferida por unidade de tempo através de uma área de superfície unitária que é perpendicular à direção de propagação da energia eletromagnética.

A eletrodinâmica constitui a base para o estudo e desenvolvimento da óptica (como um ramo da ciência) e da física das ondas de rádio. Este ramo da ciência é a base da engenharia de rádio e da engenharia elétrica.

A eletrodinâmica clássica, ao descrever as propriedades dos campos eletromagnéticos e os princípios de sua interação, utiliza o sistema de equações de Maxwell (na forma integral ou diferencial), complementando-o com um sistema de equações materiais, condições de contorno e iniciais.

Equações estruturais de Maxwell

O sistema de equações de Maxwell tem o mesmo significado na eletrodinâmica que as leis de Newton na mecânica clássica. As equações de Maxwell foram obtidas como resultado da generalização de numerosos dados experimentais. Distinguem-se as equações estruturais de Maxwell, escrevendo-as na forma integral ou diferencial, e as equações materiais que conectam vetores com parâmetros que caracterizam as propriedades elétricas e magnéticas da matéria.

Equações estruturais de Maxwell na forma integral (no sistema SI):

onde está o vetor de intensidade do campo magnético; é o vetor de densidade de corrente elétrica; - vetor de deslocamento elétrico. A equação (1) reflete a lei da criação de campos magnéticos. Um campo magnético ocorre quando uma carga se move (corrente elétrica) ou quando um campo elétrico muda. Esta equação é uma generalização da lei de Biot-Savart-Laplace. A equação (1) é chamada de teorema da circulação do campo magnético.

onde está o vetor de indução do campo magnético; - vetor de intensidade do campo elétrico; L é um circuito fechado através do qual circula o vetor de intensidade do campo elétrico. Outro nome para a equação (2) é lei da indução eletromagnética. A expressão (2) significa que o campo elétrico do vórtice é gerado devido a um campo magnético alternado.

onde está a carga elétrica; - densidade de carga. A equação (3) é chamada de teorema de Ostrogradsky-Gauss. Cargas elétricas são fontes de campo elétrico; existem cargas elétricas gratuitas.

A equação (4) indica que o campo magnético é um vórtice. Cargas magnéticas não existem na natureza.

Equações estruturais de Maxwell em forma diferencial (sistema SI):

onde está o vetor de intensidade do campo elétrico; - vetor de indução magnética.

onde está o vetor de intensidade do campo magnético; - vetor de deslocamento dielétrico; - vetor de densidade de corrente.

onde está a densidade de distribuição de carga elétrica.

As equações estruturais de Maxwell em forma diferencial determinam o campo eletromagnético em qualquer ponto do espaço. Se cargas e correntes são distribuídas continuamente no espaço, então as formas integral e diferencial das equações de Maxwell são equivalentes. No entanto, se houver superfícies de descontinuidade, então a forma integral de escrever as equações de Maxwell é mais geral.

Para alcançar a equivalência matemática das formas integrais e diferenciais das equações de Maxwell, a notação diferencial é complementada com condições de contorno.

Das equações de Maxwell segue-se que um campo magnético alternado gera um campo elétrico alternado e vice-versa, ou seja, esses campos são inseparáveis ​​e formam um único campo eletromagnético. As fontes do campo elétrico podem ser cargas elétricas ou um campo magnético variável no tempo. Os campos magnéticos são excitados por cargas elétricas em movimento (correntes) ou campos elétricos alternados. As equações de Maxwell não são simétricas em relação aos campos elétricos e magnéticos. Isso acontece porque existem cargas elétricas, mas não existem cargas magnéticas.

Equações materiais

O sistema de equações estruturais de Maxwell é complementado com equações de materiais que refletem a relação dos vetores com parâmetros que caracterizam as propriedades elétricas e magnéticas da matéria.

onde é a constante dielétrica relativa, é a permeabilidade magnética relativa, é a condutividade elétrica específica, é a constante elétrica, é a constante magnética. O meio neste caso é considerado isotrópico, não ferromagnético, não ferroelétrico.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

Exercício Derive a forma diferencial da equação de continuidade do sistema de equações de Maxwell.
Solução Como base para resolver o problema, usamos a equação:

onde é a área de uma superfície arbitrária sobre a qual repousa o contorno fechado L. De (1.1) temos:

Considere um contorno infinitesimal, então

Como a superfície é fechada, a expressão (1.2) pode ser reescrita como:

Vamos escrever outra equação de Maxwell:

Diferenciamos a equação (1.5) em relação ao tempo, temos:

Levando em consideração a expressão (1.4), a equação (1.5) pode ser apresentada como:

Obtivemos a equação de continuidade (1.5) na forma integral. Para passar para a forma diferencial da equação da continuidade, vamos ao limite:

Obtivemos a equação de continuidade na forma diferencial:

FUNDAMENTOS DE ELETRODINÂMICA. ELETROSTÁTICA


FUNDAMENTOS DE ELETRODINÂMICA

Eletrodinâmica- a ciência das propriedades do campo eletromagnético.

Campo eletromagnetico- determinado pelo movimento e interação de partículas carregadas.

Manifestação do campo elétrico/magnético- esta é a ação de forças elétricas/magnéticas:
1) forças de atrito e forças elásticas no macrocosmo;
2) a ação de forças elétricas/magnéticas no microcosmo (estrutura atômica, acoplamento de átomos em moléculas,
transformação de partículas elementares)

Descoberta do campo elétrico/magnético- J.Maxwell.


ELETROSTÁTICA

O ramo da eletrodinâmica estuda corpos eletricamente carregados em repouso.

Partículas elementares pode ter e-mail cobrar, então eles são chamados de cobrados;
- interagir entre si com forças que dependem da distância entre as partículas,
mas excede muitas vezes as forças da gravidade mútua (esta interação é chamada
eletromagnético).

E-mail cobrar- físico o valor determina a intensidade das interações elétricas/magnéticas.
Existem 2 sinais de cargas elétricas: positivo e negativo.
Partículas com cargas semelhantes se repelem e partículas com cargas diferentes se atraem.
Um próton tem carga positiva, um elétron tem carga negativa e um nêutron é eletricamente neutro.

Carga elementar- um encargo mínimo que não pode ser dividido.
Como podemos explicar a presença de forças eletromagnéticas na natureza?
- Todos os corpos contêm partículas carregadas.
No estado normal do corpo, el. neutro (já que o átomo é neutro) e elétrico/magnético. poderes não são manifestados.

O corpo está carregado, se houver excesso de cobranças de qualquer sinal:
carregado negativamente - se houver excesso de elétrons;
carregado positivamente - se houver falta de elétrons.

Eletrificação de corpos- esta é uma das formas de obter corpos carregados, por exemplo, por contato).
Nesse caso, ambos os corpos estão carregados e as cargas têm sinais opostos, mas iguais em magnitude.


Lei da conservação da carga elétrica.

Num sistema fechado, a soma algébrica das cargas de todas as partículas permanece inalterada.
(... mas não o número de partículas carregadas, pois há transformações de partículas elementares).

Sistema fechado

Um sistema de partículas no qual partículas carregadas não entram e não saem.

Lei de Coulomb

Lei básica da eletrostática.

A força de interação entre dois corpos carregados estacionários pontuais no vácuo é diretamente proporcional
o produto dos módulos de carga e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

Quando corpos são considerados corpos pontuais? - se a distância entre eles for muitas vezes maior que o tamanho dos corpos.
Se dois corpos possuem cargas elétricas, eles interagem de acordo com a lei de Coulomb.



Unidade de carga elétrica
1 C é uma carga que passa pela seção transversal de um condutor em 1 segundo a uma corrente de 1 A.
1 C é uma carga muito grande.
Carga elementar:

CAMPO ELÉTRICO

Há uma carga elétrica ao redor, materialmente.
A principal propriedade do campo elétrico: a ação com força sobre a carga elétrica nele introduzida.

Campo eletrostático- o campo de uma carga elétrica estacionária não muda com o tempo.

Intensidade do campo elétrico.- características quantitativas de el. Campos.
é a razão entre a força com a qual o campo atua sobre a carga pontual introduzida e a magnitude dessa carga.
- não depende da magnitude da carga introduzida, mas caracteriza o campo elétrico!

Direção do vetor de tensão
coincide com a direção do vetor de força que atua sobre uma carga positiva e oposta à direção da força que atua sobre uma carga negativa.

Força do campo de carga pontual:


onde q0 é a carga que cria o campo elétrico.
Em qualquer ponto do campo, a intensidade é sempre direcionada ao longo da linha reta que liga este ponto a q0.

CAPACIDADE ELÉTRICA

Caracteriza a capacidade de dois condutores acumularem carga elétrica.
- não depende de q e U.
- depende das dimensões geométricas dos condutores, sua forma, posição relativa, propriedades elétricas do meio entre os condutores.

Unidades SI: (F - farad)

CAPACITORES

Dispositivo elétrico que armazena carga
(dois condutores separados por uma camada dielétrica).

Onde d é muito menor que as dimensões do condutor.

Designação em diagramas elétricos:


Todo o campo elétrico está concentrado dentro do capacitor.
A carga de um capacitor é o valor absoluto da carga em uma das placas do capacitor.

Tipos de capacitores:
1. por tipo de dielétrico: ar, mica, cerâmica, eletrolítico
2. De acordo com o formato das placas: planas, esféricas.
3. por capacidade: constante, variável (ajustável).



Capacitância elétrica de um capacitor plano

onde S é a área da placa (revestimento) do capacitor
d - distância entre placas
eo - constante elétrica
e - constante dielétrica do dielétrico

Incluindo capacitores em um circuito elétrico

paralelo

sequencial

Então a capacidade elétrica total (C):

quando conectado em paralelo

.

quando conectado em série

CONEXÕES CC CA

Eletricidade- movimento ordenado de partículas carregadas (elétrons ou íons livres).
Neste caso, a eletricidade é transferida através da seção transversal do condutor. carga (durante o movimento térmico das partículas carregadas, a carga elétrica total transferida = 0, pois as cargas positivas e negativas são compensadas).

Direção de e-mail atual- é convencionalmente aceito considerar a direção do movimento das partículas carregadas positivamente (de + para -).

Ações de e-mail corrente (no condutor):

efeito térmico da corrente- aquecimento do condutor (exceto supercondutores);

efeito químico da corrente - aparece apenas em eletrólitos.As substâncias que compõem o eletrólito são liberadas nos eletrodos;

efeito magnético da corrente(principal) - observado em todos os condutores (deflexão da agulha magnética próximo a um condutor com corrente e o efeito da força da corrente em condutores adjacentes através de um campo magnético).

LEI DE OHM PARA UMA SEÇÃO DE CIRCUITO

onde , R é a resistência da seção do circuito. (o próprio condutor também pode ser considerado uma seção do circuito).

Cada condutor tem sua própria característica específica de corrente-tensão.

RESISTÊNCIA

Características elétricas básicas de um condutor.
- de acordo com a lei de Ohm, este valor é constante para um determinado condutor.

1 Ohm é a resistência de um condutor com diferença de potencial em suas extremidades
em 1 V e a intensidade da corrente nele é 1 A.

A resistência depende apenas das propriedades do condutor:

onde S é a área da seção transversal do condutor, l é o comprimento do condutor,
ro - resistividade que caracteriza as propriedades da substância condutora.


CIRCUITOS ELÉTRICOS

Eles consistem em uma fonte, um consumidor de corrente elétrica, fios e um interruptor.

CONEXÃO EM SÉRIE DE CONDUTORES

I - intensidade da corrente no circuito
U - tensão nas extremidades da seção do circuito

CONEXÃO PARALELA DE CONDUTORES

I - intensidade da corrente em uma seção não ramificada do circuito
U - tensão nas extremidades da seção do circuito
R - resistência total da seção do circuito

Lembre-se de como os instrumentos de medição estão conectados:

Amperímetro - conectado em série com o condutor no qual a corrente é medida.

Voltímetro - conectado em paralelo ao condutor no qual a tensão é medida.

OPERAÇÃO CC

Trabalho atual- este é o trabalho do campo elétrico para transferir cargas elétricas ao longo do condutor;

O trabalho realizado pela corrente em uma seção do circuito é igual ao produto da corrente, tensão e tempo durante o qual o trabalho foi realizado.

Usando a fórmula da lei de Ohm para uma seção de circuito, você pode escrever várias versões da fórmula para calcular o trabalho da corrente:

De acordo com a lei da conservação da energia:

O trabalho é igual à variação da energia de uma seção do circuito, portanto a energia liberada pelo condutor é igual ao trabalho da corrente.

No sistema SI:

LEI DE JOULE-LENZ

Quando a corrente passa por um condutor, o condutor aquece e ocorre a troca de calor com o meio ambiente, ou seja, o condutor emite calor para os corpos que o rodeiam.

A quantidade de calor liberada por um condutor que transporta corrente para o ambiente é igual ao produto do quadrado da intensidade da corrente, a resistência do condutor e o tempo que a corrente passa através do condutor.

De acordo com a lei da conservação da energia, a quantidade de calor liberada por um condutor é numericamente igual ao trabalho realizado pela corrente que flui através do condutor durante o mesmo tempo.

No sistema SI:

[Q] = 1J

ENERGIA CC

A razão entre o trabalho realizado pela corrente durante o tempo t e este intervalo de tempo.

No sistema SI:

O fenômeno da supercondutividade

Descoberta da supercondutividade em baixa temperatura:
1911 - Cientista holandês Kamerling - Onnes
observado em temperaturas ultrabaixas (abaixo de 25 K) em muitos metais e ligas;
A tais temperaturas, a resistividade destas substâncias torna-se extremamente pequena.

Em 1957, foi dada uma explicação teórica do fenômeno da supercondutividade:
Cooper (EUA), Bogolyubov (URSS)

1957 Experiência de Collins: a corrente em um circuito fechado sem fonte de corrente não parou por 2,5 anos.

Em 1986, a supercondutividade em alta temperatura (a 100 K) foi descoberta (para metalocerâmica).


Dificuldade de alcançar supercondutividade:
- a necessidade de forte resfriamento da substância


Area de aplicação:
- obtenção de campos magnéticos fortes;
- eletroímãs potentes com enrolamento supercondutor em aceleradores e geradores.

Atualmente no setor energético existe um grande problema
- grandes perdas de eletricidade durante a transmissão ela por fio.


Solução possível Problemas:
com supercondutividade, a resistência dos condutores é de aproximadamente 0
e as perdas de energia são drasticamente reduzidas.

Substância com a temperatura supercondutora mais alta
Em 1988, nos EUA, a uma temperatura de –148°C, foi obtido o fenômeno da supercondutividade. O condutor era uma mistura de óxidos de tálio, cálcio, bário e cobre - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.

Semicondutor -

Uma substância cuja resistividade pode variar numa ampla faixa e diminui muito rapidamente com o aumento da temperatura, o que significa que a condutividade elétrica (1/R) aumenta.
- observado no silício, germânio, selênio e alguns compostos.

Mecanismo de condução em semicondutores

Os cristais semicondutores têm uma rede cristalina atômica onde os elétrons externos estão ligados aos átomos vizinhos por ligações covalentes.
Em baixas temperaturas, os semicondutores puros não possuem elétrons livres e se comportam como isolantes.

CORRENTE ELÉTRICA NO VÁCUO

O que é um vácuo?
- este é o grau de rarefação de um gás no qual praticamente não há colisões de moléculas;

A corrente elétrica não é possível porque o número possível de moléculas ionizadas não pode fornecer condutividade elétrica;
- é possível criar corrente elétrica no vácuo se usar uma fonte de partículas carregadas;
- a ação de uma fonte de partículas carregadas pode ser baseada no fenômeno da emissão termiônica.

Emissão termionica

- é a emissão de elétrons por corpos sólidos ou líquidos quando são aquecidos a temperaturas correspondentes ao brilho visível do metal quente.
O eletrodo metálico aquecido emite elétrons continuamente, formando uma nuvem de elétrons ao seu redor.
Num estado de equilíbrio, o número de elétrons que saíram do eletrodo é igual ao número de elétrons que retornaram a ele (uma vez que o eletrodo fica carregado positivamente quando os elétrons são perdidos).
Quanto maior a temperatura do metal, maior a densidade da nuvem eletrônica.

Diodo de vácuo

A corrente elétrica no vácuo é possível em tubos de vácuo.
Um tubo de vácuo é um dispositivo que utiliza o fenômeno da emissão termiônica.

Um diodo de vácuo é um tubo de elétrons de dois eletrodos (A - ânodo e K - cátodo).
Uma pressão muito baixa é criada dentro do recipiente de vidro

H - filamento colocado dentro do cátodo para aquecê-lo. A superfície do cátodo aquecido emite elétrons. Se o ânodo estiver conectado a + da fonte de corrente e o cátodo estiver conectado a -, então o circuito flui
corrente termiônica constante. O diodo de vácuo tem condutividade unidirecional.
Aqueles. a corrente no ânodo é possível se o potencial do ânodo for maior que o potencial do cátodo. Neste caso, os elétrons da nuvem de elétrons são atraídos para o ânodo, criando uma corrente elétrica no vácuo.

Característica corrente-tensão de um diodo de vácuo.

Em baixas tensões anódicas, nem todos os elétrons emitidos pelo cátodo alcançam o ânodo e a corrente elétrica é pequena. Em altas tensões, a corrente atinge a saturação, ou seja, valor máximo.
Um diodo de vácuo é usado para retificar a corrente alternada.

Corrente na entrada do retificador de diodo:


Corrente de saída do retificador:

Feixes de elétrons

Este é um fluxo de elétrons voando rapidamente em tubos de vácuo e dispositivos de descarga de gás.

Propriedades dos feixes de elétrons:

Deflexão em campos elétricos;
- desviar em campos magnéticos sob a influência da força de Lorentz;
- quando um feixe que atinge uma substância é desacelerado, surge a radiação de raios X;
- provoca brilho (luminescência) de alguns sólidos e líquidos (luminóforos);
- aquecer a substância entrando em contato com ela.

Tubo de raios catódicos (CRT)

São utilizados fenômenos de emissão termiônica e propriedades de feixes de elétrons.

Um CRT consiste em um canhão de elétrons, defletores horizontais e verticais
placas de eletrodo e tela.
Em um canhão de elétrons, os elétrons emitidos por um cátodo aquecido passam através do eletrodo da grade de controle e são acelerados pelos ânodos. Um canhão de elétrons foca um feixe de elétrons em um ponto e altera o brilho da luz na tela. A deflexão de placas horizontais e verticais permite mover o feixe de elétrons na tela para qualquer ponto da tela. A tela do tubo é revestida com um fósforo que começa a brilhar quando bombardeado com elétrons.

Existem dois tipos de tubos:

1) com controle eletrostático do feixe de elétrons (deflexão do feixe elétrico apenas pelo campo elétrico);
2) com controle eletromagnético (são adicionadas bobinas de deflexão magnética).

Principais aplicações do CRT:

tubos de imagem em equipamentos de televisão;
monitores de computador;
osciloscópios eletrônicos em tecnologia de medição.

CORRENTE ELÉTRICA EM GASES

Em condições normais, o gás é um dielétrico, ou seja, consiste em átomos e moléculas neutras e não contém portadores livres de corrente elétrica.
O gás condutor é um gás ionizado. O gás ionizado tem condutividade elétron-íon.

O ar é um dielétrico em linhas de energia, capacitores de ar e interruptores de contato.

O ar é um condutor quando ocorre um raio, uma faísca elétrica ou quando ocorre um arco de soldagem.


Ionização de gás

É a quebra de átomos ou moléculas neutras em íons e elétrons positivos, removendo elétrons dos átomos. A ionização ocorre quando um gás é aquecido ou exposto à radiação (UV, raios X, radioativos) e é explicada pela desintegração de átomos e moléculas durante colisões em altas velocidades.

Descarga de gás

Esta é a corrente elétrica em gases ionizados.
Os portadores de carga são íons positivos e elétrons. A descarga de gás é observada em tubos de descarga de gás (lâmpadas) quando expostos a um campo elétrico ou magnético.

Recombinação de partículas carregadas


- o gás deixa de ser condutor se a ionização cessar, isso ocorre por recombinação (reunião de partículas com carga oposta).

Existe uma descarga de gás autossustentável e não autossustentável.

Descarga de gás não autossustentável

Se a ação do ionizador for interrompida, a descarga também será interrompida.

Quando a descarga atinge a saturação, o gráfico fica horizontal. Aqui, a condutividade elétrica do gás é causada apenas pela ação do ionizador.

Descarga de gás autossustentável

Neste caso, a descarga de gás continua mesmo após o término do ionizador externo devido aos íons e elétrons resultantes da ionização por impacto (= ionização por choque elétrico); ocorre quando a diferença de potencial entre os eletrodos aumenta (ocorre uma avalanche de elétrons).
Uma descarga de gás não autossustentada pode se transformar em uma descarga de gás autossustentada quando Ua = Uignição.

Avaria elétrica do gás

O processo de transição de uma descarga de gás não autossustentável para uma descarga autossustentável.

Ocorre descarga de gás autossustentada 4 tipos:

1. combustão lenta - em baixas pressões (até vários mm Hg) - observada em tubos de luz a gás e lasers de gás.
2. faísca - em pressão normal e alta intensidade de campo elétrico (relâmpago - intensidade de corrente de até centenas de milhares de amperes).
3. corona - à pressão normal em um campo elétrico não uniforme (na ponta).
4. arco - alta densidade de corrente, baixa tensão entre os eletrodos (temperatura do gás no canal do arco -5.000-6.000 graus Celsius); observado em holofotes e equipamentos de projeção de filmes.

Essas descargas são observadas:

latente - em lâmpadas fluorescentes;
faísca - em relâmpago;
corona - em precipitadores elétricos, durante vazamento de energia;
arco - durante a soldagem, em lâmpadas de mercúrio.


Plasma

Este é o quarto estado agregado de uma substância com alto grau de ionização devido à colisão de moléculas em alta velocidade e alta temperatura; encontrado na natureza: ionosfera - plasma fracamente ionizado, Sol - plasma totalmente ionizado; plasma artificial - em lâmpadas de descarga de gás.

O plasma pode ser:

Baixa temperatura - em temperaturas inferiores a 100.000K;
alta temperatura - em temperaturas acima de 100.000K.

Propriedades básicas do plasma:

Alta condutividade elétrica
- forte interação com campos elétricos e magnéticos externos.

A uma temperatura

Qualquer substância está em estado plasmático.

Curiosamente, 99% da matéria do Universo é plasma

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Plano:

    Introdução
  • 1 Conceitos Básicos
  • 2 Equações Básicas
  • 3 Conteúdo de eletrodinâmica
  • 4 Seções de eletrodinâmica
  • 5 Valor do aplicativo
  • 6 História

Introdução

Eletrodinâmica- um ramo da física que estuda o campo eletromagnético no caso mais geral (ou seja, são considerados campos variáveis ​​​​dependentes do tempo) e sua interação com corpos que possuem carga elétrica (interação eletromagnética). A disciplina de eletrodinâmica inclui a ligação entre fenômenos elétricos e magnéticos, radiação eletromagnética (em diferentes condições, tanto livres como em vários casos de interação com a matéria), corrente elétrica (em geral, variável) e sua interação com o campo eletromagnético (corrente elétrica pode ser considerado quando se trata de uma coleção de partículas carregadas em movimento). Qualquer interação elétrica e magnética entre corpos carregados é considerada na física moderna como ocorrendo através de um campo eletromagnético e, portanto, também é objeto de eletrodinâmica.

Na maioria das vezes sob o termo eletrodinâmica por padrão, a eletrodinâmica clássica (que não afeta os efeitos quânticos) é entendida; Para denotar a teoria quântica moderna do campo eletromagnético e sua interação com partículas carregadas, geralmente é usado o termo estável eletrodinâmica quântica.


1. Conceitos básicos

Os conceitos básicos usados ​​em eletrodinâmica incluem:

  • O campo eletromagnético é o principal objeto de estudo da eletrodinâmica, tipo de matéria que se manifesta ao interagir com corpos carregados. Historicamente dividido em dois campos:
    • Campo elétrico - criado por qualquer corpo carregado ou campo magnético alternado, afeta qualquer corpo carregado.
    • Campo magnético - criado por corpos carregados em movimento, corpos carregados com spin e campos elétricos alternados, afeta cargas em movimento e corpos carregados com spin.
  • A carga elétrica é uma propriedade dos corpos que lhes permite criar campos eletromagnéticos, bem como interagir com esses campos.
  • O potencial eletromagnético é uma quantidade física de 4 vetores que determina completamente a distribuição do campo eletromagnético no espaço. Destaque:
    • Potencial eletrostático - componente de tempo de um vetor 4
    • O potencial vetorial é um vetor tridimensional formado pelos componentes restantes de um vetor 4.
  • O vetor de Poynting é uma grandeza física vetorial que tem o significado da densidade do fluxo de energia de um campo eletromagnético.

2. Equações básicas

As equações básicas que descrevem o comportamento do campo eletromagnético e sua interação com corpos carregados são:

  • Equações de Maxwell, que determinam o comportamento de um campo eletromagnético livre no vácuo e em um meio, bem como a geração do campo pelas fontes. Entre essas equações estão:
    • Lei da indução de Faraday, que determina a geração de um campo elétrico por um campo magnético alternado.
    • O teorema da circulação do campo magnético com a adição de correntes de deslocamento introduzidas por Maxwell determina a geração de um campo magnético pelo movimento de cargas e um campo elétrico alternado
    • Teorema de Gauss para o campo elétrico, que determina a geração de um campo eletrostático por cargas.
    • A lei do fechamento das linhas do campo magnético.
  • Uma expressão para a força de Lorentz que determina a força que atua sobre uma carga localizada em um campo eletromagnético.
  • A lei de Joule-Lenz, que determina a quantidade de perda de calor em um meio condutor com condutividade finita, na presença de um campo elétrico nele.

Equações particulares de particular importância são:

  • A lei de Coulomb, que combina o teorema de Gauss para o campo elétrico e a força de Lorentz, e determina a interação eletrostática de duas cargas pontuais.
  • Lei de Ampère, que determina a força que atua sobre uma corrente elementar colocada em um campo magnético.
  • Teorema de Poynting, que expressa a lei da conservação da energia na eletrodinâmica.

3. Conteúdos de eletrodinâmica

O conteúdo principal da eletrodinâmica clássica é a descrição das propriedades do campo eletromagnético e sua interação com corpos carregados (corpos carregados “geram” o campo eletromagnético, são suas “fontes”, e o campo eletromagnético, por sua vez, atua sobre corpos carregados, criando forças eletromagnéticas). Esta descrição, além de definir objetos e quantidades básicas, como carga elétrica, campo elétrico, campo magnético, potencial eletromagnético, é reduzida de uma forma ou de outra às equações de Maxwell e à fórmula da força de Lorentz, e também aborda algumas questões relacionadas ( relacionadas à física matemática, aplicações, grandezas auxiliares e fórmulas auxiliares importantes para aplicações, como o vetor densidade de corrente ou a lei empírica de Ohm). Esta descrição também inclui questões de conservação e transferência de energia, momento, momento angular por um campo eletromagnético, incluindo fórmulas para densidade de energia, vetor de Poynting, etc.

Às vezes, os efeitos eletrodinâmicos (em oposição à eletrostática) são entendidos como aquelas diferenças significativas entre o caso geral do comportamento do campo eletromagnético (por exemplo, a relação dinâmica entre a mudança dos campos elétricos e magnéticos) e o caso estático, que tornam o particular caso estático muito mais simples de descrever, entender e calcular.


4. Seções de eletrodinâmica

  • A eletrostática descreve as propriedades de um campo elétrico estático (que não muda com o tempo ou muda lentamente o suficiente para que os “efeitos eletrodinâmicos” no sentido descrito acima possam ser negligenciados) e sua interação com corpos eletricamente carregados (cargas elétricas).
  • A magnetostática estuda correntes contínuas e campos magnéticos constantes (os campos não mudam com o tempo ou mudam tão lentamente que a velocidade dessas mudanças pode ser desprezada no cálculo), bem como sua interação.
  • A eletrodinâmica contínua examina o comportamento dos campos eletromagnéticos em meios contínuos.
  • A eletrodinâmica relativística considera campos eletromagnéticos em meios móveis.

5. Valor da aplicação

A eletrodinâmica está subjacente à óptica física, à física da propagação das ondas de rádio, e também permeia quase toda a física, uma vez que quase todos os ramos da física têm que lidar com campos e cargas elétricas, e muitas vezes com suas mudanças e movimentos rápidos e não triviais. Além disso, a eletrodinâmica é uma teoria física exemplar (tanto em sua versão clássica quanto quântica), combinando altíssima precisão de cálculos e previsões com a influência de ideias teóricas nascidas em seu campo em outras áreas da física teórica.

A eletrodinâmica é de grande importância na tecnologia e constitui a base de: engenharia de rádio, engenharia elétrica, diversos ramos das comunicações e rádio.


6. História

A primeira prova da conexão entre fenômenos elétricos e magnéticos foi a descoberta experimental de Oersted em 1819-1820 da geração de um campo magnético por corrente elétrica. Ele também expressou a ideia de alguma interação de processos elétricos e magnéticos no espaço ao redor do condutor, mas de uma forma bastante pouco clara.

Em 1831, Michael Faraday descobriu experimentalmente o fenômeno e a lei da indução eletromagnética, que se tornou a primeira evidência clara da relação dinâmica direta dos campos elétricos e magnéticos. Ele também desenvolveu (em relação aos campos elétricos e magnéticos) os fundamentos do conceito de campo físico e alguns conceitos teóricos básicos que permitem descrever campos físicos, e também previu a existência de ondas eletromagnéticas em 1832.

Em 1864, J. C. Maxwell publicou pela primeira vez o sistema completo de equações da "eletrodinâmica clássica" descrevendo a evolução do campo eletromagnético e sua interação com cargas e correntes. Ele fez uma suposição teórica de que a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, objeto da eletrodinâmica.

Eletrodinâmica… Livro de referência de dicionário ortográfico

Teoria clássica (não quântica) do comportamento do campo eletromagnético, que realiza a interação entre os elétricos. cargas (interação eletromagnética). Leis clássicas macroscópico E. são formulados nas equações de Maxwell, que permitem ... Enciclopédia física

- (da palavra eletricidade e do grego dinamis power). Parte da física que trata da ação das correntes elétricas. Dicionário de palavras estrangeiras incluídas na língua russa. Chudinov A.N., 1910. ELETRODINÂMICA da palavra eletricidade e grego. dinamis, força... Dicionário de palavras estrangeiras da língua russa

Enciclopédia moderna

Eletrodinâmica- teoria clássica dos processos eletromagnéticos não quânticos, em que o papel principal é desempenhado pelas interações entre partículas carregadas em vários meios e no vácuo. A formação da eletrodinâmica foi precedida pelos trabalhos de C. Coulomb, J. Biot, F. Savart, ... ... Dicionário Enciclopédico Ilustrado

Teoria clássica dos processos eletromagnéticos em vários meios e no vácuo. Abrange um enorme conjunto de fenômenos em que o papel principal é desempenhado pelas interações entre partículas carregadas realizadas através de um campo eletromagnético... Grande Dicionário Enciclopédico

ELETRODINÂMICA, na física, a área que estuda a interação entre campos elétricos e magnéticos e corpos carregados. Esta disciplina começou no século XIX. com seus trabalhos teóricos James MAXWELL, mais tarde ela se tornou parte de... ... Dicionário enciclopédico científico e técnico

ELETRODINÂMICA, eletrodinâmica, muitos outros. não, mulher (ver eletricidade e dinâmica) (físico). Departamento de Física, que estuda as propriedades da corrente elétrica, eletricidade em movimento; formiga. eletrostática. Dicionário explicativo de Ushakov. D. N. Ushakov. 1935 1940… Dicionário Explicativo de Ushakov

ELETRODINÂMICA, e, g. (especialista.). Teoria dos processos eletromagnéticos em diversos meios e no vácuo. Dicionário explicativo de Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992… Dicionário Explicativo de Ozhegov

Substantivo, número de sinônimos: 2 dinâmicas (18) física (55) Dicionário de sinônimos ASIS. V. N. Trishin. 2013… Dicionário de sinônimo

eletrodinâmica- - [AS Goldberg. Dicionário de energia Inglês-Russo. 2006] Tópicos de engenharia de energia em geral EN eletrodinâmica ... Guia do Tradutor Técnico

Livros

  • Eletrodinâmica, AE Ivanov. Este livro é autossuficiente: apresenta palestras ministradas durante vários anos por um professor associado do centro educacional e científico especializado do MSTU. NE Bauman...
  • Eletrodinâmica, Sergei Anatolyevich Ivanov. ...

Definição 1

A eletrodinâmica é um campo enorme e importante da física que estuda as propriedades clássicas e não quânticas do campo eletromagnético e o movimento de cargas magnéticas carregadas positivamente interagindo entre si usando esse campo.

Figura 1. Resumidamente sobre eletrodinâmica. Author24 - intercâmbio online de trabalhos de alunos

A eletrodinâmica parece ser uma ampla gama de diferentes formulações de problemas e suas soluções inteligentes, métodos aproximados e casos especiais, que são combinados em um todo por leis e equações iniciais gerais. Estas últimas, que constituem a parte principal da eletrodinâmica clássica, são apresentadas detalhadamente nas fórmulas de Maxwell. Atualmente, os cientistas continuam a estudar os princípios desta área da física, o esqueleto da sua construção, as relações com outras áreas científicas.

A lei de Coulomb em eletrodinâmica é denotada da seguinte forma: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, onde $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. A equação de intensidade do campo elétrico é escrita da seguinte forma: $E= \frac (F)(q)$, e o fluxo do vetor de indução do campo magnético $∆Ф=В∆S \cos (a)$.

Na eletrodinâmica, estudam-se principalmente cargas livres e sistemas de cargas, que contribuem para a ativação de um espectro de energia contínuo. A descrição clássica da interação eletromagnética é favorecida pelo fato de ela ser efetiva já no limite de baixa energia, quando o potencial energético das partículas e fótons é pequeno comparado à energia de repouso do elétron.

Em tais situações, muitas vezes não há aniquilação de partículas carregadas, uma vez que há apenas uma mudança gradual no estado de seu movimento instável como resultado da troca de um grande número de fótons de baixa energia.

Nota 1

No entanto, mesmo em altas energias de partículas no meio, apesar do papel significativo das flutuações, a eletrodinâmica pode ser usada com sucesso para uma descrição abrangente de características e processos macroscópicos estatisticamente médios.

Equações básicas da eletrodinâmica

As principais fórmulas que descrevem o comportamento do campo eletromagnético e sua interação direta com corpos carregados são as equações de Maxwell, que determinam as prováveis ​​ações de um campo eletromagnético livre em meio e vácuo, bem como a geração geral do campo pelas fontes.

Dentre essas disposições da física é possível destacar:

  • Teorema de Gauss para o campo elétrico - destinado a determinar a geração de um campo eletrostático por cargas positivas;
  • hipótese de linhas de campo fechadas - promove a interação de processos dentro do próprio campo magnético;
  • Lei da indução de Faraday - estabelece a geração de campos elétricos e magnéticos pelas propriedades variáveis ​​do ambiente.

Em geral, o teorema de Ampere-Maxwell é uma ideia única sobre a circulação de linhas em um campo magnético com a adição gradual de correntes de deslocamento introduzidas pelo próprio Maxwell, que determina com precisão a transformação do campo magnético pelo movimento de cargas e pela ação alternada de o campo elétrico.

Carga e força em eletrodinâmica

Na eletrodinâmica, a interação de força e carga do campo eletromagnético vem da seguinte definição conjunta de carga elétrica $q$, energia $E$ e campos magnéticos $B$, que são estabelecidos como uma lei física fundamental baseada em todo o conjunto de dados experimentais. A fórmula da força de Lorentz (dentro da idealização de uma carga pontual movendo-se a uma determinada velocidade) é escrita com a substituição da velocidade $v$.

Os condutores geralmente contêm uma grande quantidade de cobranças, portanto, essas cobranças são bastante bem compensadas: o número de cobranças positivas e negativas é sempre igual entre si. Conseqüentemente, a força elétrica total que atua constantemente sobre o condutor também é zero. As forças magnéticas que atuam sobre cargas individuais em um condutor, em última análise, não são compensadas, porque na presença de corrente as velocidades de movimento das cargas são sempre diferentes. A equação para a ação de um condutor com corrente em um campo magnético pode ser escrita da seguinte forma: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $

Se estudarmos não um líquido, mas um fluxo completo e estável de partículas carregadas como uma corrente, então todo o potencial de energia que passa linearmente pela área por $1s$ será a intensidade da corrente igual a: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, onde $ρ$ é a densidade de carga (por unidade de volume no fluxo total).

Nota 2

Se o campo magnético e elétrico muda sistematicamente de ponto a ponto em um local específico, então nas expressões e fórmulas para fluxos parciais, como no caso do líquido, os valores médios $E ⃗ $ e $B ⃗$ no site deve ser inserido.

A posição especial da eletrodinâmica na física

A posição significativa da eletrodinâmica na ciência moderna pode ser confirmada através do famoso trabalho de A. Einstein, no qual os princípios e fundamentos da teoria da relatividade especial foram delineados em detalhes. O trabalho científico do notável cientista chama-se “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento” e inclui um grande número de equações e definições importantes.

Como um campo separado da física, a eletrodinâmica consiste nas seguintes seções:

  • a doutrina do campo de corpos e partículas físicas estacionárias, mas eletricamente carregadas;
  • a doutrina das propriedades da corrente elétrica;
  • a doutrina da interação do campo magnético e da indução eletromagnética;
  • o estudo de ondas e oscilações eletromagnéticas.

Todas as seções acima são unidas pelo teorema de D. Maxwell, que não apenas criou e apresentou uma teoria coerente do campo eletromagnético, mas também descreveu todas as suas propriedades, comprovando sua real existência. O trabalho deste cientista em particular mostrou ao mundo científico que os campos elétricos e magnéticos então conhecidos são apenas uma manifestação de um único campo eletromagnético operando em diferentes sistemas de referência.

Uma parte significativa da física é dedicada ao estudo da eletrodinâmica e dos fenômenos eletromagnéticos. Esta área reivindica em grande parte o status de uma ciência separada, uma vez que não apenas explora todos os padrões de interações eletromagnéticas, mas também os descreve detalhadamente por meio de fórmulas matemáticas. Pesquisas profundas e de longo prazo em eletrodinâmica abriram novos caminhos para a utilização de fenômenos eletromagnéticos na prática, para o benefício de toda a humanidade.