Pentru ce stare electrodinamica joacă un rol important? Electrodinamică, formule

DEFINIȚIE

Câmpurile electromagnetice și interacțiunile electromagnetice sunt studiate de o ramură a fizicii numită electrodinamică.

Electrodinamica clasică studiază și descrie proprietățile câmpurilor electromagnetice. Examinează legile prin care câmpurile electromagnetice interacționează cu corpurile cu sarcină electrică.

Concepte de bază ale electrodinamicii

Baza electrodinamicii unui mediu staționar sunt ecuațiile lui Maxwell. Electrodinamica operează cu concepte de bază precum câmpul electromagnetic, sarcina electrică, potențialul electromagnetic, vectorul Poynting.

Un câmp electromagnetic este un tip special de materie care se manifestă atunci când un corp încărcat interacționează cu altul. Adesea, când se ia în considerare un câmp electromagnetic, componentele acestuia se disting: câmp electric și câmp magnetic. Un câmp electric creează o sarcină electrică sau un câmp magnetic alternativ. Un câmp magnetic apare atunci când o sarcină (corp încărcat) se mișcă și în prezența unui câmp electric care variază în timp.

Potențialul electromagnetic este o mărime fizică care determină distribuția câmpului electromagnetic în spațiu.

Electrodinamica se împarte în: electrostatică; magnetostatice; electrodinamica continuumului; electrodinamică relativistă.

Vectorul Poynting (vector Umov-Poynting) este o mărime fizică care este vectorul densității fluxului de energie al câmpului electromagnetic. Mărimea acestui vector este egală cu energia care este transferată pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață care este perpendiculară pe direcția de propagare a energiei electromagnetice.

Electrodinamica formează baza studiului și dezvoltării opticii (ca ramură a științei) și fizicii undelor radio. Această ramură a științei este fundația pentru inginerie radio și inginerie electrică.

Electrodinamica clasică, atunci când descrie proprietățile câmpurilor electromagnetice și principiile interacțiunii lor, utilizează sistemul de ecuații al lui Maxwell (în forme integrale sau diferențiale), completându-l cu un sistem de ecuații materiale, condiții de limită și inițiale.

Ecuațiile structurale ale lui Maxwell

Sistemul de ecuații al lui Maxwell are același sens în electrodinamică ca legile lui Newton în mecanica clasică. Ecuațiile lui Maxwell au fost obținute ca urmare a generalizării a numeroase date experimentale. Se disting ecuațiile structurale ale lui Maxwell, scriindu-le în formă integrală sau diferențială și ecuațiile materiale care conectează vectorii cu parametrii care caracterizează proprietățile electrice și magnetice ale materiei.

Ecuațiile structurale ale lui Maxwell în formă integrală (în sistemul SI):

unde este vectorul intensității câmpului magnetic; este vectorul densității curentului electric; - vector de deplasare electrică. Ecuația (1) reflectă legea creării câmpurilor magnetice. Un câmp magnetic apare atunci când o sarcină se mișcă (curent electric) sau când un câmp electric se modifică. Această ecuație este o generalizare a legii Biot-Savart-Laplace. Ecuația (1) se numește teorema de circulație a câmpului magnetic.

unde este vectorul de inducție a câmpului magnetic; - vectorul intensității câmpului electric; L este o buclă închisă prin care circulă vectorul intensității câmpului electric. Un alt nume pentru ecuația (2) este legea inducției electromagnetice. Expresia (2) înseamnă că câmpul electric vortex este generat datorită unui câmp magnetic alternativ.

unde este sarcina electrică; - densitatea de încărcare. Ecuația (3) se numește teorema Ostrogradsky-Gauss. Sarcinile electrice sunt surse de câmp electric; există sarcini electrice gratuite.

Ecuația (4) indică faptul că câmpul magnetic este vortex. Sarcinile magnetice nu există în natură.

Ecuațiile structurale ale lui Maxwell în formă diferențială (sistem SI):

unde este vectorul intensității câmpului electric; - vector de inducție magnetică.

unde este vectorul intensității câmpului magnetic; - vector de deplasare dielectrică; - vector de densitate de curent.

unde este densitatea de distribuție a sarcinii electrice.

Ecuațiile structurale ale lui Maxwell în formă diferențială determină câmpul electromagnetic în orice punct al spațiului. Dacă sarcinile și curenții sunt distribuiți continuu în spațiu, atunci formele integrale și diferențiale ale ecuațiilor lui Maxwell sunt echivalente. Totuși, dacă există suprafețe de discontinuitate, atunci forma integrală de scriere a ecuațiilor lui Maxwell este mai generală.

Pentru a obține echivalența matematică a formelor integrale și diferențiale ale ecuațiilor lui Maxwell, notația diferențială este completată cu condiții la limită.

Din ecuațiile lui Maxwell rezultă că un câmp magnetic alternativ generează un câmp electric alternativ și invers, adică aceste câmpuri sunt inseparabile și formează un singur câmp electromagnetic. Sursele câmpului electric pot fi fie sarcini electrice, fie un câmp magnetic variabil în timp. Câmpurile magnetice sunt excitate de sarcini electrice în mișcare (curenți) sau câmpuri electrice alternative. Ecuațiile lui Maxwell nu sunt simetrice în raport cu câmpurile electrice și magnetice. Acest lucru se întâmplă pentru că există sarcini electrice, dar sarcinile magnetice nu există.

Ecuații materiale

Sistemul de ecuații structurale al lui Maxwell este completat cu ecuații materiale care reflectă relația vectorilor cu parametrii care caracterizează proprietățile electrice și magnetice ale materiei.

unde este constanta dielectrică relativă, este permeabilitatea magnetică relativă, este conductivitatea electrică specifică, este constanta electrică, este constanta magnetică. Mediul în acest caz este considerat izotrop, neferomagnetic, neferoelectric.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu Deduceți forma diferențială a ecuației de continuitate din sistemul de ecuații al lui Maxwell.
Soluţie Ca bază pentru rezolvarea problemei, folosim ecuația:

unde este aria unei suprafețe arbitrare pe care se sprijină conturul închis L. Din (1.1) avem:

Luați în considerare un contur infinitezimal, atunci

Deoarece suprafața este închisă, expresia (1.2) poate fi rescrisă ca:

Să scriem o altă ecuație Maxwell:

Să diferențiem ecuația (1.5) în funcție de timp, avem:

Ținând cont de expresia (1.4), ecuația (1.5) poate fi prezentată astfel:

Am obținut ecuația de continuitate (1.5) în formă integrală. Pentru a trece la forma diferențială a ecuației de continuitate, să mergem la limită:

Am obținut ecuația de continuitate sub formă diferențială:

FUNDAMENTELE ELECTRODINAMICII. ELECTROSTATICĂ


FUNDAMENTELE ELECTRODINAMICII

Electrodinamică- știința proprietăților câmpului electromagnetic.

Câmp electromagnetic- determinată de mișcarea și interacțiunea particulelor încărcate.

Manifestarea câmpului electric/magnetic- aceasta este acțiunea forțelor electrice/magnetice:
1) forțe de frecare și forțe elastice în macrocosmos;
2) acțiunea forțelor electrice/magnetice în microcosmos (structura atomică, cuplarea atomilor în molecule,
transformarea particulelor elementare)

Descoperirea câmpului electric/magnetic- J. Maxwell.


ELECTROSTATICĂ

Ramura electrodinamicii studiază corpurile încărcate electric în repaus.

Particule elementare poate avea email taxă, atunci se numesc încărcate;
- interactioneaza intre ele cu forte care depind de distanta dintre particule,
dar depășesc de multe ori forțele gravitației reciproce (această interacțiune se numește
electromagnetic).

E-mail încărca- fizică valoarea determină intensitatea interacțiunilor electrice/magnetice.
Există 2 semne de sarcină electrică: pozitivă și negativă.
Particulele cu sarcini similare se resping, iar particulele cu sarcini diferite se atrag.
Un proton are o sarcină pozitivă, un electron are o sarcină negativă și un neutron este neutru din punct de vedere electric.

Taxa elementara- o taxă minimă care nu poate fi împărțită.
Cum putem explica prezența forțelor electromagnetice în natură?
- Toate corpurile conțin particule încărcate.
În starea normală a corpului, el. neutru (deoarece atomul este neutru) și electric/magnetic. puterile nu se manifestă.

Corpul este taxat, dacă are un exces de taxe de orice semn:
încărcat negativ - dacă există un exces de electroni;
încărcat pozitiv - dacă există o lipsă de electroni.

Electrificarea corpurilor- aceasta este una dintre modalitățile de a obține corpuri încărcate, de exemplu, prin contact).
În acest caz, ambele corpuri sunt încărcate, iar sarcinile sunt opuse ca semn, dar egale ca mărime.


Legea conservării sarcinii electrice.

Într-un sistem închis, suma algebrică a sarcinilor tuturor particulelor rămâne neschimbată.
(... dar nu și numărul de particule încărcate, deoarece există transformări ale particulelor elementare).

Sistem inchis

Un sistem de particule în care particulele încărcate nu intră din exterior și nu ies.

legea lui Coulomb

Legea fundamentală a electrostaticei.

Forța de interacțiune între două corpuri încărcate staționare punctuale în vid este direct proporțională
produsul modulelor de încărcare și este invers proporțional cu pătratul distanței dintre ele.

Când corpurile sunt considerate corpuri punctuale? - dacă distanţa dintre ele este de multe ori mai mare decât dimensiunea corpurilor.
Dacă două corpuri au sarcini electrice, atunci ele interacționează conform legii lui Coulomb.



Unitatea de sarcină electrică
1 C este o sarcină care trece prin secțiunea transversală a unui conductor în 1 secundă la un curent de 1 A.
1 C este o încărcare foarte mare.
Sarcina elementara:

CÂMP ELECTRIC

Există o sarcină electrică în jur, din punct de vedere material.
Proprietatea principală a câmpului electric: acțiunea cu forță asupra sarcinii electrice introduse în acesta.

Câmp electrostatic- câmpul unei sarcini electrice staționare nu se modifică în timp.

Intensitatea câmpului electric.- caracteristicile cantitative ale el. câmpuri.
este raportul dintre forța cu care câmpul acționează asupra sarcinii punctiforme introduse și mărimea acestei sarcini.
- nu depinde de mărimea sarcinii introduse, ci caracterizează câmpul electric!

Direcția vectorului de tensiune
coincide cu direcția vectorului forță care acționează asupra unei sarcini pozitive și opusă direcției forței care acționează asupra unei sarcini negative.

Intensitatea câmpului de încărcare punctiformă:


unde q0 este sarcina care creează câmpul electric.
În orice punct al câmpului, intensitatea este întotdeauna direcționată de-a lungul liniei drepte care leagă acest punct și q0.

CAPACITATE ELECTRICA

Caracterizează capacitatea a doi conductori de a acumula sarcină electrică.
- nu depinde de q și U.
- depinde de dimensiunile geometrice ale conductorilor, forma acestora, pozitia relativa, proprietatile electrice ale mediului dintre conductori.

Unități SI: (F - farad)

CONDENSATORI

Dispozitiv electric care stochează încărcarea
(doi conductoare separate printr-un strat dielectric).

Unde d este mult mai mic decât dimensiunile conductorului.

Denumirea pe schemele electrice:


Întregul câmp electric este concentrat în interiorul condensatorului.
Sarcina unui condensator este valoarea absolută a sarcinii de pe una dintre plăcile condensatorului.

Tipuri de condensatoare:
1. dupa tipul de dielectric: aer, mica, ceramica, electrolitic
2. după forma plăcilor: plate, sferice.
3. după capacitate: constant, variabil (reglabil).



Capacitatea electrică a unui condensator plat

unde S este aria plăcii (placarea) condensatorului
d - distanta dintre placi
eo - constantă electrică
e - constanta dielectrică a dielectricului

Inclusiv condensatori într-un circuit electric

paralel

secvenţial

Apoi capacitatea electrică totală (C):

când sunt conectate în paralel

.

când sunt conectate în serie

CONEXIUNI DC AC

Electricitate- mișcarea ordonată a particulelor încărcate (electroni sau ioni liberi).
În acest caz, electricitatea este transferată prin secțiunea transversală a conductorului. sarcină (în timpul mișcării termice a particulelor încărcate, sarcina electrică totală transferată = 0, deoarece sarcinile pozitive și negative sunt compensate).

Direcția de e-mail actual- se acceptă convențional să se ia în considerare direcția de mișcare a particulelor încărcate pozitiv (de la + la -).

Acțiuni prin e-mail curent (în conductor):

efectul termic al curentului- încălzirea conductorului (cu excepția supraconductoarelor);

efectul chimic al curentului - apare numai în electroliți.Sustanțele care alcătuiesc electrolitul sunt eliberate pe electrozi;

efectul magnetic al curentului(principal) - observată în toate conductoarele (deviația acului magnetic în apropierea unui conductor cu curent și efectul de forță al curentului asupra conductoarelor adiacente printr-un câmp magnetic).

LEGEA LUI OHM PENTRU O SECȚIUNE DE CIRCUIT

unde , R este rezistența secțiunii circuitului. (conductorul în sine poate fi considerat și o secțiune a circuitului).

Fiecare conductor are propria caracteristică specifică curent-tensiune.

REZISTENŢĂ

Caracteristicile electrice de bază ale unui conductor.
- conform legii lui Ohm, această valoare este constantă pentru un conductor dat.

1 Ohm este rezistența unui conductor cu o diferență de potențial la capete
la 1 V și puterea curentului în acesta este de 1 A.

Rezistența depinde numai de proprietățile conductorului:

unde S este aria secțiunii transversale a conductorului, l este lungimea conductorului,
ro - rezistivitate care caracterizează proprietăţile substanţei conductor.


CIRCUITE ELECTRICE

Ele constau dintr-o sursă, un consumator de curent electric, fire și un comutator.

CONECTAREA DE SERIE A CONDUCTOARELOR

I - puterea curentului în circuit
U - tensiune la capetele secțiunii circuitului

CONECTAREA PARALELA A CONDUCTOARELOR

I - puterea curentului într-o secțiune neramificată a circuitului
U - tensiune la capetele secțiunii circuitului
R - rezistența totală a secțiunii circuitului

Amintiți-vă cum sunt conectate instrumentele de măsură:

Ampermetru - conectat în serie cu conductorul în care se măsoară curentul.

Voltmetru - conectat în paralel cu conductorul pe care se măsoară tensiunea.

FUNCȚIONARE DC

Munca curenta- aceasta este munca câmpului electric de a transfera sarcini electrice de-a lungul conductorului;

Munca efectuată de curent pe o secțiune a circuitului este egală cu produsul dintre curent, tensiune și timpul în care a fost efectuată lucrarea.

Folosind formula legii lui Ohm pentru o secțiune a unui circuit, puteți scrie mai multe versiuni ale formulei pentru calcularea lucrului curentului:

Conform legii conservării energiei:

Lucrul este egal cu modificarea energiei unei secțiuni a circuitului, deci energia eliberată de conductor este egală cu munca curentului.

În sistemul SI:

LEGEA JOULE-LENZ

Când curentul trece printr-un conductor, conductorul se încălzește și are loc schimbul de căldură cu mediul, adică. conductorul degajă căldură corpurilor care îl înconjoară.

Cantitatea de căldură eliberată de un conductor care transportă curent în mediu este egală cu produsul dintre pătratul puterii curentului, rezistența conductorului și timpul trecerii curentului prin conductor.

Conform legii conservării energiei, cantitatea de căldură degajată de un conductor este numeric egală cu munca efectuată de curentul care trece prin conductor în același timp.

În sistemul SI:

[Q] = 1 J

ALIMENTARE DC

Raportul dintre munca efectuată de curent în timpul t și acest interval de timp.

În sistemul SI:

Fenomenul de supraconductivitate

Descoperirea supraconductivității la temperaturi joase:
1911 - om de știință olandez Kamerling - Onnes
observat la temperaturi ultra-scăzute (sub 25 K) în multe metale și aliaje;
La astfel de temperaturi, rezistivitatea acestor substanțe devine extrem de mică.

În 1957, a fost dată o explicație teoretică a fenomenului de supraconductivitate:
Cooper (SUA), Bogolyubov (URSS)

1957 Experimentul lui Collins: curentul într-un circuit închis fără sursă de curent nu s-a oprit timp de 2,5 ani.

În 1986, a fost descoperită supraconductibilitatea la temperatură înaltă (la 100 K) (pentru metalo-ceramică).


Dificultatea de a realiza supraconductivitate:
- nevoia de racire puternica a substantei


Zona de aplicare:
- obtinerea de campuri magnetice puternice;
- electromagneti puternici cu infasurare supraconductoare in acceleratoare si generatoare.

În prezent în sectorul energetic există o problema mare
- pierderi mari de energie electrică în timpul transportului ea prin fir.


Soluție posibilă Probleme:
cu supraconductivitate, rezistența conductorilor este de aproximativ 0
iar pierderile de energie sunt reduse drastic.

Substanță cu cea mai mare temperatură supraconductoare
În 1988 în SUA, la o temperatură de –148°C, s-a obţinut fenomenul de supraconductivitate. Conductorul era un amestec de oxizi de taliu, calciu, bariu și cupru - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.

Semiconductor -

O substanță a cărei rezistivitate poate varia într-un interval larg și scade foarte repede odată cu creșterea temperaturii, ceea ce înseamnă că conductivitatea electrică (1/R) crește.
- observat în siliciu, germaniu, seleniu și unii compuși.

Mecanism de conducereîn semiconductori

Cristalele semiconductoare au o rețea cristalină atomică în care electronii exteriori sunt legați de atomii vecini prin legături covalente.
La temperaturi scăzute, semiconductorii puri nu au electroni liberi și se comportă ca un izolator.

CURENTUL ELECTRIC ÎN VID

Ce este un vid?
- acesta este gradul de rarefacție al unui gaz la care practic nu există ciocniri de molecule;

Curentul electric nu este posibil deoarece numărul posibil de molecule ionizate nu poate asigura conductivitate electrică;
- este posibil să creezi curent electric în vid dacă folosești o sursă de particule încărcate;
- actiunea unei surse de particule incarcate se poate baza pe fenomenul de emisie termoionica.

Emisia termoionică

- aceasta este emisia de electroni de către corpurile solide sau lichide atunci când sunt încălzite la temperaturi corespunzătoare strălucirii vizibile a metalului fierbinte.
Electrodul metalic încălzit emite în mod continuu electroni, formând un nor de electroni în jurul său.
Într-o stare de echilibru, numărul de electroni care au părăsit electrodul este egal cu numărul de electroni care s-au întors la el (deoarece electrodul devine încărcat pozitiv atunci când electronii se pierd).
Cu cât temperatura metalului este mai mare, cu atât densitatea norului de electroni este mai mare.

Dioda de vid

Curentul electric în vid este posibil în tuburile vidate.
Un tub de vid este un dispozitiv care utilizează fenomenul de emisie termoionică.

O diodă în vid este un tub electronic cu doi electrozi (A - anod și K - catod).
În interiorul recipientului de sticlă se creează o presiune foarte scăzută

H - filament plasat în interiorul catodului pentru a-l încălzi. Suprafața catodului încălzit emite electroni. Dacă anodul este conectat la + al sursei de curent, iar catodul este conectat la -, atunci circuitul curge
curent termoionic constant. Dioda de vid are conductivitate unidirecțională.
Acestea. curentul în anod este posibil dacă potențialul anodului este mai mare decât potențialul catodic. În acest caz, electronii din norul de electroni sunt atrași de anod, creând un curent electric în vid.

Caracteristica curent-tensiune a unei diode în vid.

La tensiuni anodice mici, nu toți electronii emiși de catod ajung la anod, iar curentul electric este mic. La tensiuni înalte, curentul ajunge la saturație, adică. valoare maximă.
Pentru a redresa curentul alternativ se folosește o diodă în vid.

Curentul la intrarea redresorului cu diode:


Curent de ieșire redresor:

Fascicule de electroni

Acesta este un flux de electroni care zboară rapid în tuburi vid și dispozitive cu descărcare în gaz.

Proprietățile fasciculelor de electroni:

Deviații în câmpuri electrice;
- devierea în câmpuri magnetice sub influența forței Lorentz;
- când un fascicul care lovește o substanță este decelerat, apar radiații cu raze X;
- determină strălucirea (luminescența) unor solide și lichide (luminofori);
- se încălzește substanța prin contactul cu ea.

tub catodic (CRT)

Se folosesc fenomene de emisie termoionică și proprietăți ale fasciculelor de electroni.

Un CRT este format dintr-un tun cu electroni, deflectoare orizontale și verticale
plăci de electrozi și ecran.
Într-un tun cu electroni, electronii emiși de un catod încălzit trec prin electrodul rețelei de control și sunt accelerați de anozi. Un tun de electroni concentrează un fascicul de electroni într-un punct și modifică luminozitatea luminii de pe ecran. Plăcile de deviere orizontale și verticale vă permit să mutați fasciculul de electroni de pe ecran în orice punct de pe ecran. Ecranul tubului este acoperit cu un fosfor care începe să strălucească atunci când este bombardat cu electroni.

Există două tipuri de tuburi:

1) cu control electrostatic al fasciculului de electroni (deviarea fasciculului electric numai de câmpul electric);
2) cu control electromagnetic (se adaugă bobine de deviere magnetică).

Principalele aplicații ale CRT:

Tuburi de imagine în echipamentele de televiziune;
display-uri de calculator;
osciloscoapele electronice în tehnologia de măsurare.

CURENTUL ELECTRIC ÎN GAZE

În condiții normale, gazul este un dielectric, adică. este format din atomi și molecule neutre și nu conține purtători liberi de curent electric.
Gazul conductor este un gaz ionizat. Gazul ionizat are conductivitate electron-ion.

Aerul este un dielectric în liniile electrice, condensatoarele de aer și comutatoarele de contact.

Aerul este conductor atunci când apare un fulger, o scânteie electrică sau când are loc un arc de sudare.


Ionizarea gazelor

Este descompunerea atomilor sau moleculelor neutre în ioni pozitivi și electroni prin îndepărtarea electronilor din atomi. Ionizarea are loc atunci când un gaz este încălzit sau expus la radiații (UV, raze X, radioactive) și se explică prin dezintegrarea atomilor și a moleculelor în timpul ciocnirilor la viteze mari.

Evacuarea gazelor

Acesta este curentul electric în gazele ionizate.
Purtătorii de sarcină sunt ionii pozitivi și electronii. Descărcările de gaz se observă în tuburile cu descărcare în gaz (lămpi) atunci când sunt expuse la un câmp electric sau magnetic.

Recombinarea particulelor încărcate


- gazul încetează să mai fie conductor dacă ionizarea se oprește, aceasta apare ca urmare a recombinării (reunirea particulelor încărcate opus).

Există o descărcare de gaz auto-susținută și non-auto-susținută.

Descărcare de gaz neautosusținută

Dacă acțiunea ionizatorului este oprită, se va opri și descărcarea.

Când descărcarea ajunge la saturație, graficul devine orizontal. Aici, conductivitatea electrică a gazului este cauzată numai de acțiunea ionizatorului.

Descărcare de gaz autonomă

În acest caz, descărcarea de gaz continuă și după terminarea ionizatorului extern datorită ionilor și electronilor rezultați din ionizarea prin impact (= ionizarea șocului electric); apare atunci când diferența de potențial dintre electrozi crește (se produce o avalanșă de electroni).
O descărcare de gaz non-susținută se poate transforma într-o descărcare de gaz autonomă atunci când Ua = Uaprindere.

Defectarea electrică a gazului

Procesul de tranziție a unei descărcări de gaze care nu se autosusține într-una care se autosusține.

Are loc o descărcare de gaz autonomă 4 tipuri:

1. mocnire - la presiuni scăzute (până la câțiva mm Hg) - observată în tuburile de lumină cu gaz și laserele cu gaz.
2. scânteie - la presiune normală și intensitate mare a câmpului electric (fulger - puterea curentului de până la sute de mii de amperi).
3. corona - la presiune normală într-un câmp electric neuniform (la vârf).
4. arc - densitate mare de curent, tensiune joasă între electrozi (temperatura gazului în canalul arcului -5000-6000 grade Celsius); observate în reflectoare și echipamente de film de proiecție.

Se observă aceste deversări:

mocnit - în lămpi fluorescente;
scânteie - în fulger;
corona - în precipitatoare electrice, în timpul scurgerii de energie;
arc - în timpul sudării, în lămpi cu mercur.


Plasma

Aceasta este a patra stare de agregare a unei substanțe cu un grad ridicat de ionizare din cauza ciocnirii moleculelor la viteză mare la temperatură ridicată; găsite în natură: ionosferă - plasmă slab ionizată, Soarele - plasmă complet ionizată; plasmă artificială - în lămpi cu descărcare în gaz.

Plasma poate fi:

Temperatură scăzută - la temperaturi mai mici de 100.000K;
temperatură ridicată - la temperaturi peste 100.000K.

Proprietățile de bază ale plasmei:

Conductivitate electrică ridicată
- interacțiune puternică cu câmpurile electrice și magnetice externe.

La o temperatură

Orice substanță este în stare de plasmă.

Interesant este că 99% din materia din Univers este plasmă

ÎNTREBĂRI DE TESTARE PENTRU TESTARE



Plan:

    Introducere
  • 1 Noțiuni de bază
  • 2 Ecuații de bază
  • 3 Conținutul electrodinamicii
  • 4 Secțiuni de electrodinamică
  • 5 Valoarea aplicației
  • 6 Istorie

Introducere

Electrodinamică- o ramură a fizicii care studiază câmpul electromagnetic în cazul cel mai general (adică se consideră câmpuri variabile dependente de timp) și interacțiunea acestuia cu corpurile care au sarcină electrică (interacțiunea electromagnetică). Subiectul electrodinamicii include legătura dintre fenomenele electrice și magnetice, radiația electromagnetică (în diferite condiții, atât libere, cât și în diverse cazuri de interacțiune cu materia), curentul electric (în general, variabil) și interacțiunea acestuia cu câmpul electromagnetic (curentul electric). poate fi luat în considerare atunci când aceasta este ca o colecție de particule încărcate în mișcare). Orice interacțiune electrică și magnetică între corpuri încărcate este considerată în fizica modernă ca având loc printr-un câmp electromagnetic și, prin urmare, este, de asemenea, subiectul electrodinamicii.

Cel mai adesea sub termen electrodinamică implicit, electrodinamica clasică (care nu afectează efectele cuantice) este înțeleasă; Pentru a desemna teoria cuantică modernă a câmpului electromagnetic și a interacțiunii sale cu particulele încărcate, se folosește de obicei termenul stabil de electrodinamică cuantică.


1. Concepte de bază

Conceptele de bază utilizate în electrodinamică includ:

  • Câmpul electromagnetic este principalul subiect de studiu al electrodinamicii, un tip de materie care se manifestă atunci când interacționează cu corpurile încărcate. Împărțit istoric în două domenii:
    • Câmp electric - creat de orice corp încărcat sau câmp magnetic alternativ, are efect asupra oricărui corp încărcat.
    • Câmp magnetic - creat de corpuri încărcate în mișcare, corpuri încărcate cu spin și câmpuri electrice alternante, afectează sarcinile în mișcare și corpurile încărcate cu spin.
  • Sarcina electrică este o proprietate a corpurilor care le permite să creeze câmpuri electromagnetice, precum și să interacționeze cu aceste câmpuri.
  • Potențialul electromagnetic este o mărime fizică cu 4 vectori care determină complet distribuția câmpului electromagnetic în spațiu. A evidentia:
    • Potențial electrostatic - componenta de timp a unui 4-vector
    • Potențialul vectorial este un vector tridimensional format din componentele rămase ale unui vector cu patru.
  • Vectorul Poynting este o mărime fizică vectorială care are semnificația densității fluxului de energie a unui câmp electromagnetic.

2. Ecuații de bază

Ecuațiile de bază care descriu comportamentul câmpului electromagnetic și interacțiunea acestuia cu corpurile încărcate sunt:

  • Ecuațiile lui Maxwell, care determină comportamentul unui câmp electromagnetic liber în vid și un mediu, precum și generarea câmpului de către surse. Printre aceste ecuații se numără:
    • Legea inducției lui Faraday, care determină generarea unui câmp electric de către un câmp magnetic alternativ.
    • Teorema de circulație a câmpului magnetic cu adăugarea curenților de deplasare introduse de Maxwell determină generarea unui câmp magnetic prin sarcini în mișcare și un câmp electric alternativ.
    • Teorema lui Gauss pentru câmpul electric, care determină generarea unui câmp electrostatic de către sarcini.
    • Legea închiderii liniilor câmpului magnetic.
  • O expresie pentru forța Lorentz care determină forța care acționează asupra unei sarcini situate într-un câmp electromagnetic.
  • Legea Joule-Lenz, care determină cantitatea de pierdere de căldură într-un mediu conductor cu conductivitate finită, în prezența unui câmp electric în acesta.

Ecuații deosebite de importanță deosebită sunt:

  • Legea lui Coulomb, care combină teorema lui Gauss pentru câmpul electric și forța Lorentz și determină interacțiunea electrostatică a două sarcini punctiforme.
  • Legea lui Ampere, care determină forța care acționează asupra unui curent elementar plasat într-un câmp magnetic.
  • Teorema lui Poynting, care exprimă legea conservării energiei în electrodinamică.

3. Conţinuturile electrodinamicii

Conținutul principal al electrodinamicii clasice este descrierea proprietăților câmpului electromagnetic și a interacțiunii acestuia cu corpurile încărcate (corpurile încărcate „generează” câmpul electromagnetic, sunt „sursele” acestuia, iar câmpul electromagnetic la rândul său acționează asupra corpurilor încărcate, creând forţe electromagnetice). Această descriere, pe lângă definirea obiectelor și cantităților de bază, cum ar fi sarcina electrică, câmpul electric, câmpul magnetic, potențialul electromagnetic, se reduce la ecuațiile lui Maxwell într-o formă sau alta și la formula forței Lorentz și atinge, de asemenea, unele aspecte conexe ( legate de fizica matematică, aplicații, mărimi auxiliare și formule auxiliare importante pentru aplicații, cum ar fi vectorul densității de curent sau legea empirică a lui Ohm). Această descriere include, de asemenea, probleme de conservare și transfer de energie, moment, moment unghiular de către un câmp electromagnetic, inclusiv formule pentru densitatea energiei, vectorul Poynting etc.

Uneori, efectele electrodinamice (spre deosebire de electrostatică) sunt înțelese ca acele diferențe semnificative între cazul general al comportării câmpului electromagnetic (de exemplu, relația dinamică dintre câmpurile electrice și magnetice în schimbare) și cazul static, care fac particular caz static mult mai simplu de descris, înțeles și calculat.


4. Secţiuni de electrodinamică

  • Electrostatica descrie proprietățile unui câmp electric static (nu se schimbă în timp sau se schimbă suficient de lent încât „efectele electrodinamice” în sensul descris mai sus) și interacțiunea acestuia cu corpurile încărcate electric (sarcini electrice).
  • Magnetostatica studiază curenții continui și câmpurile magnetice constante (câmpurile nu se modifică în timp sau se modifică atât de lent încât viteza acestor modificări poate fi neglijată în calcul), precum și interacțiunea lor.
  • Electrodinamica continuu examinează comportamentul câmpurilor electromagnetice în medii continue.
  • Electrodinamica relativistă ia în considerare câmpurile electromagnetice în mediile în mișcare.

5. Valoarea aplicației

Electrodinamica stă la baza opticii fizice, a fizicii propagării undelor radio și, de asemenea, pătrunde în aproape toată fizica, deoarece aproape toate ramurile fizicii trebuie să se ocupe de câmpurile și sarcinile electrice și, adesea, cu schimbările și mișcările lor rapide non-triviale. În plus, electrodinamica este o teorie fizică exemplară (atât în ​​versiunea sa clasică, cât și în cea cuantică), combinând precizia foarte mare a calculelor și predicțiilor cu influența ideilor teoretice născute în domeniul său asupra altor domenii ale fizicii teoretice.

Electrodinamica are o mare importanță în tehnologie și formează baza: ingineriei radio, ingineriei electrice, diverse ramuri ale comunicațiilor și radioului.


6. Istorie

Prima dovadă a conexiunii dintre fenomenele electrice și magnetice a fost descoperirea experimentală a lui Oersted în 1819-1820 a generării unui câmp magnetic prin curent electric. El a exprimat, de asemenea, ideea unei anumite interacțiuni a proceselor electrice și magnetice în spațiul din jurul conductorului, dar într-o formă destul de neclară.

În 1831, Michael Faraday a descoperit experimental fenomenul și legea inducției electromagnetice, care a devenit prima dovadă clară a relației dinamice directe dintre câmpurile electrice și magnetice. De asemenea, a dezvoltat (în legătură cu câmpurile electrice și magnetice) elementele fundamentale ale conceptului de câmp fizic și câteva concepte teoretice de bază care fac posibilă descrierea câmpurilor fizice și, de asemenea, a prezis existența undelor electromagnetice în 1832.

În 1864, J. C. Maxwell a publicat pentru prima dată sistemul complet de ecuații ale „electrodinamicii clasice” care descriu evoluția câmpului electromagnetic și interacțiunea acestuia cu sarcinile și curenții. El a făcut o presupunere bazată teoretic că lumina este o undă electromagnetică, adică. obiect al electrodinamicii.

Electrodinamică... Dicționar de ortografie - carte de referință

Teoria clasică (non-cuantică) a comportării câmpului electromagnetic, care realizează interacțiunea dintre electrice. sarcini (interacțiune electromagnetică). Legile clasice macroscopic E. sunt formulate în ecuațiile lui Maxwell, care permit... Enciclopedie fizică

- (de la cuvântul electricitate, și greacă dinamis putere). Parte a fizicii care se ocupă cu acțiunea curenților electrici. Dicționar de cuvinte străine incluse în limba rusă. Chudinov A.N., 1910. ELECTRODINAMICĂ de la cuvântul electricitate și greacă. dinamism, putere... Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

Enciclopedie modernă

Electrodinamică- clasică, teoria proceselor electromagnetice non-cuantice în care rolul principal îl joacă interacțiunile dintre particulele încărcate în diverse medii și în vid. Formarea electrodinamicii a fost precedată de lucrările lui C. Coulomb, J. Biot, F. Savart, ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

Teoria clasică a proceselor electromagnetice în diverse medii și în vid. Acoperă un set imens de fenomene în care rolul principal este jucat de interacțiunile dintre particulele încărcate efectuate printr-un câmp electromagnetic... Dicţionar enciclopedic mare

ELECTRODINAMICĂ, în fizică, câmpul care studiază interacțiunea dintre câmpurile electrice și magnetice și corpurile încărcate. Această disciplină a început în secolul al XIX-lea. cu lucrările ei teoretice James MAXWELL, ea a devenit mai târziu parte a... ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

ELECTRODINAMICĂ, electrodinamică, multe altele. nu, femeie (vezi electricitate și dinamică) (fizică). Catedra de fizică, studierea proprietăților curentului electric, electricității în mișcare; furnică. electrostatică. Dicționarul explicativ al lui Ușakov. D.N. Uşakov. 1935 1940... Dicționarul explicativ al lui Ushakov

ELECTRODINAMICĂ și, g. (specialist.). Teoria proceselor electromagnetice în diverse medii și în vid. Dicționarul explicativ al lui Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Şvedova. 1949 1992... Dicționarul explicativ al lui Ozhegov

Substantiv, număr de sinonime: 2 dinamică (18) fizică (55) dicționar de sinonime ASIS. V.N. Trishin. 2013… Dicţionar de sinonime

electrodinamică- - [A.S. Goldberg. Dicționar energetic englez-rus. 2006] Subiecte de inginerie energetică în general electrodinamică EN... Ghidul tehnic al traducătorului

Cărți

  • Electrodinamică, A. E. Ivanov. Acest manual este autosuficient: prezintă prelegeri care au fost susținute timp de mai mulți ani de un conferențiar la centrul educațional și științific de specialitate al MSTU. N. E. Bauman...
  • Electrodinamică, Serghei Anatolevici Ivanov. ...

Definiția 1

Electrodinamica este un domeniu imens și important al fizicii care studiază proprietățile clasice, non-cuantice ale câmpului electromagnetic și mișcarea sarcinilor magnetice încărcate pozitiv care interacționează între ele folosind acest câmp.

Figura 1. Pe scurt despre electrodinamică. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Electrodinamica pare a fi o gamă largă de formulări diferite de probleme și soluțiile lor inteligente, metode aproximative și cazuri speciale, care sunt combinate într-un singur întreg prin legi și ecuații inițiale generale. Acestea din urmă, alcătuind partea principală a electrodinamicii clasice, sunt prezentate în detaliu în formulele lui Maxwell. În prezent, oamenii de știință continuă să studieze principiile acestui domeniu în fizică, scheletul construcției sale, relațiile cu alte domenii științifice.

Legea lui Coulomb în electrodinamică se notează astfel: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, unde $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Ecuația intensității câmpului electric se scrie astfel: $E= \frac (F)(q)$, iar fluxul vectorului de inducție a câmpului magnetic $∆Ф=В∆S \cos (a)$.

În electrodinamică, sunt studiate în primul rând sarcinile libere și sistemele de sarcini, care contribuie la activarea unui spectru energetic continuu. Descrierea clasică a interacțiunii electromagnetice este favorizată de faptul că este eficientă deja în limita de energie joasă, când potențialul energetic al particulelor și fotonilor este mic în comparație cu energia de repaus a electronului.

În astfel de situații, adesea nu există nicio anihilare a particulelor încărcate, deoarece există doar o schimbare treptată a stării mișcării lor instabile, ca urmare a schimbului unui număr mare de fotoni cu energie joasă.

Nota 1

Cu toate acestea, chiar și la energii mari ale particulelor din mediu, în ciuda rolului semnificativ al fluctuațiilor, electrodinamica poate fi utilizată cu succes pentru o descriere cuprinzătoare a caracteristicilor și proceselor macroscopice medii statistic.

Ecuații de bază ale electrodinamicii

Principalele formule care descriu comportamentul câmpului electromagnetic și interacțiunea directă a acestuia cu corpurile încărcate sunt ecuațiile lui Maxwell, care determină acțiunile probabile ale unui câmp electromagnetic liber în mediu și vid, precum și generarea generală a câmpului pe surse.

Dintre aceste prevederi în fizică se pot evidenția:

  • Teorema lui Gauss pentru câmpul electric - destinată să determine generarea unui câmp electrostatic prin sarcini pozitive;
  • ipoteza liniilor de câmp închis - promovează interacțiunea proceselor în cadrul câmpului magnetic propriu-zis;
  • Legea inducției lui Faraday – stabilește generarea câmpurilor electrice și magnetice prin proprietățile variabile ale mediului.

În general, teorema Ampere-Maxwell este o idee unică despre circulația liniilor într-un câmp magnetic cu adăugarea treptată a curenților de deplasare introduși de însuși Maxwell, care determină cu precizie transformarea câmpului magnetic prin sarcini în mișcare și acțiunea alternativă a câmpul electric.

Sarcina și forța în electrodinamică

În electrodinamică, interacțiunea dintre forța și sarcina câmpului electromagnetic provine din următoarea definiție comună a câmpurilor de sarcină electrică $q$, energie $E$ și $B$ magnetice, care se stabilesc ca o lege fizică fundamentală bazată pe întregul set de date experimentale. Formula forței Lorentz (în cadrul idealizării unei sarcini punctiforme care se mișcă cu o anumită viteză) se scrie cu înlocuirea vitezei $v$.

Conductorii conțin adesea o cantitate imensă de sarcini, prin urmare, aceste sarcini sunt destul de bine compensate: numărul de sarcini pozitive și negative este întotdeauna egal între ele. În consecință, forța electrică totală care acționează constant asupra conductorului este și ea zero. Forțele magnetice care funcționează asupra sarcinilor individuale dintr-un conductor nu sunt în cele din urmă compensate, deoarece în prezența curentului, vitezele de mișcare ale sarcinilor sunt întotdeauna diferite. Ecuația pentru acțiunea unui conductor cu curent într-un câmp magnetic poate fi scrisă astfel: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $

Dacă studiem nu un lichid, ci un flux complet și stabil de particule încărcate sub formă de curent, atunci întregul potențial energetic care trece liniar prin zonă pentru $1s$ va fi puterea curentului egală cu: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, unde $ρ$ este densitatea de sarcină (pe unitate de volum în debitul total).

Nota 2

Dacă câmpul magnetic și electric se schimbă sistematic de la un punct la altul pe un anumit loc, atunci în expresiile și formulele pentru fluxuri parțiale, ca în cazul unui lichid, valorile medii $E ⃗ $ și $B ⃗$ pe site-ul trebuie intrat.

Poziția specială a electrodinamicii în fizică

Poziția semnificativă a electrodinamicii în știința modernă poate fi confirmată prin celebra lucrare a lui A. Einstein, în care au fost conturate în detaliu principiile și fundamentele teoriei speciale a relativității. Lucrarea științifică a remarcabilului om de știință se numește „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” și include un număr mare de ecuații și definiții importante.

Ca domeniu separat al fizicii, electrodinamica constă din următoarele secțiuni:

  • doctrina domeniului corpurilor și particulelor fizice staționare, dar încărcate electric;
  • doctrina proprietăților curentului electric;
  • doctrina interacțiunii câmpului magnetic și inducției electromagnetice;
  • studiul undelor electromagnetice și oscilațiilor.

Toate secțiunile de mai sus sunt unite într-una singură prin teorema lui D. Maxwell, care nu numai că a creat și prezentat o teorie coerentă a câmpului electromagnetic, dar și a descris toate proprietățile acestuia, dovedind existența lui reală. Lucrările acestui om de știință au arătat lumii științifice că câmpurile electrice și magnetice cunoscute la acel moment sunt doar o manifestare a unui singur câmp electromagnetic care funcționează în diferite sisteme de referință.

O parte semnificativă a fizicii este dedicată studiului electrodinamicii și fenomenelor electromagnetice. Această zonă revendică în mare măsură statutul de știință separată, deoarece nu numai că explorează toate modelele interacțiunilor electromagnetice, dar le descrie și în detaliu prin formule matematice. Cercetările profunde și pe termen lung în electrodinamică au deschis noi căi de utilizare a fenomenelor electromagnetice în practică, în beneficiul întregii omeniri.