Для якого важливу роль відіграє електродинаміка. Електродинаміка, формули
ВИЗНАЧЕННЯ
Електромагнітні поля та електромагнітні взаємодії досліджує розділ фізики, що називається електродинамікою.
Класична електродинаміка вивчає та описує властивості електромагнітних полів. Розглядає закони, якими електромагнітні поля взаємодіють із тілами, які мають електричним зарядом.
Базові поняття електродинаміки
Основою електродинаміки нерухомого середовища є рівняння Максвелла. Електродинаміка оперує такими основними поняттями, як електромагнітне поле, електричний заряд, електромагнітний потенціал, вектор Пойнтінга.
Електромагнітним полем називають особливий вид матерії, який проявляється при вплив одного зарядженого тіла на інше. Часто при розгляді електромагнітного поля виділяють його складові: електричне поле та магнітне поле. Електричне поле створює електричний заряд чи змінне магнітне поле. Магнітне поле виникає під час руху заряду (зарядженого тіла) і за наявності змінного у часі електричного поля.
Електромагнітний потенціал – це фізична величина, що визначає розподіл електромагнітного поля у просторі.
Електродинаміку поділяють на електростатику; магнітостатику; електродинаміку суцільного середовища; релятивістську електродинаміку.
Вектор Пойнтінга - це фізична величина, яка є вектором щільності потоку енергії електромагнітного поля. Величина даного вектора дорівнює енергії, яка переноситься в одиницю часу крізь одиничну площу поверхні, яка перпендикулярна до напряму поширення електромагнітної енергії.
Електродинаміка становить основу вивчення та розвитку оптики (як розділу науки), фізики радіохвиль. Цей розділ науки є фундаментом для радіотехніки та електротехніки.
Класична електродинаміка, при описі властивостей електромагнітних полів та принципів їх взаємодії, використовує систему рівнянь Максвелла (в інтегральній чи диференційній формах), доповнюючи її системою матеріальних рівнянь, граничними та початковими умовами.
Структурні рівняння Максвелла
Система рівнянь Максвелла має таке значення в електродинаміці як закони Ньютона в класичній механіці. Рівняння Максвелла було отримано внаслідок узагальнення численних експериментальних даних. Виробляють структурні рівняння Максвелла, записуючи їх в інтегральному або диференціальному вигляді та матеріальні рівняння, які пов'язують векторів з параметрами, що характеризують електричні та магнітні властивості речовини.
Структурні рівняння Максвелла в інтегральному вигляді (у системі СІ):
де - Вектор напруженості магнітного поля; - Вектор щільності електричного струму; - Вектор електричного зміщення. Рівняння (1) відображає закон створення магнітних полів. Магнітне поле виникає під час руху заряду (електричний струм) або за зміни електричного поля. Це рівняння – узагальнення закону Біо-Савара-Лапласа. Рівняння (1) зветься теореми про циркуляцію магнітного поля.
де - Вектор індукції магнітного поля; - Вектор напруженості електричного поля; L - замкнутий контур, яким відбувається циркуляція вектора напруженості електричного поля. Інша назва рівняння (2) це закон електромагнітної індукції. Вираз (2) означає, що вихрове електричне поле породжується завдяки змінному магнітному полю.
де – електричний заряд; - Щільність заряду. Рівняння (3) називають теоремою Остроградського - Гаусса. Електричні заряди є джерелами електричного поля, є вільні електричні заряди.
Рівняння (4) свідчить про те, що магнітне поле є вихровим. Магнітних зарядів у природі немає.
Структурні рівняння Максвелла у диференціальному вигляді (система СІ):
де - Вектор напруженості електричного поля; - Вектор магнітної індукції.
де - Вектор напруженості магнітного поля; - Вектор діелектричного зміщення; - Вектор щільності струму.
де - Щільність розподілу електричного заряду.
Структурні рівняння Максвелла у диференційній формі визначають електромагнітне поле у будь-якій точці простору. Якщо заряди та струми розподілені у просторі безперервно, то інтегральна та диференціальна форми рівнянь Максвелла еквівалентні. Однак, якщо є поверхні розриву, то інтегральна форма запису рівнянь Максвелла є більш загальною.
Для досягнення математичної еквівалентності інтегральної та диференціальної форм рівнянь Максвелла диференціальний запис доповнюють граничними умовами.
З рівнянь Максвелла випливає, що змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле і навпаки, тобто ці поля є нерозривними і утворюють єдине електромагнітне поле. Джерелами електричного поля можуть бути електричні заряди, або змінне в часі магнітне поле. Магнітні поля збуджуються електричними зарядами (струмами), що рухаються, або змінними електричними полями. Рівняння Максвелла є симетричними щодо електричного і магнітного полів. Це відбувається через те, що електричні заряди існують, а магнітних немає.
Матеріальні рівняння
Систему структурних рівнянь Максвелла доповнюють матеріальними рівняннями, що відбивають зв'язок векторів з параметрами, що характеризують електричні та магнітні властивості речовини.
де - Відносна діелектрична проникність, - Відносна магнітна проникність, - Питома електропровідність, - Електрична постійна, - магнітна постійна. Середовище в такому випадку вважається ізотропним, неферомагнітним, несегнетоелектричним.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Отримайте диференціальну форму рівняння безперервності із системи рівнянь Максвелла. |
| Рішення | Як основу для вирішення задачі використовуємо рівняння: де - площа довільної поверхні, на яку спирається замкнутий контур L. З (1.1) маємо: Розглянемо нескінченно малий контур, тоді
Так як поверхня є замкнутою, то вираз (1.2) можна переписати як:
Запишемо ще одне рівняння Максвелла:
Продиференціюємо рівняння (1.5) за часом, маємо: Беручи до уваги вираз (1.4), рівняння (1.5) подаємо у вигляді: Ми здобули рівняння (1.5) безперервності в інтегральній формі. Для того, щоб перейти до диференціальної форми рівняння безперервності, перейдемо до межі: Ми отримали рівняння безперервності у диференційній формі: |
ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ. ЕЛЕКТРОСТАТИКА
ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
Електродинаміка- Наука про властивості електромагнітного поля.
Електромагнітне поле- визначається рухом та взаємодією заряджених частинок.
Прояв ел/магнітного поля- це дія ел/магнітних сил:
1) сили тертя та сили пружності в макросвіті;
2) дія ел/магнітних сил у мікросвіті (будова атома, зчеплення атомів у молекули,
перетворення елементарних частинок)
Відкриття ел/магнітного поля- Дж. Максвелл.
ЕЛЕКТРОСТАТИКА
Розділ електродинаміки, вивчає електрично заряджені тіла, що покояться.
Елементарні часткиможуть мати ел. заряд, тоді вони називаються зарядженими;
- взаємодіють один з одним із силами, які залежать від відстані між частинками,
але перевищують у багато разів сили взаємного тяжіння (ця взаємодія називається
електромагнітним).
Ел. заряд- Фізич. величина, що визначає інтенсивність ел/магнітних взаємодій.
Існує 2 знаки ел.зарядів: позитивний та негативний.
Частинки з однойменними зарядами відштовхуються, з різноіменними притягуються.
Протон має позитивний заряд, електрон – негативний, нейтрон – електрично нейтральний.
Елементарний заряд- Мінімальний заряд, розділити який неможливо.
Чим пояснити наявність електромагнітних сил у природі?
- До складу всіх тіл входять заряджені частинки.
У нормальному стані тіла ел. нейтральні (бо атом нейтральний), і ел/магн. сили не виявляються.
Тіло зарядженеякщо має надлишок зарядів будь-якого знака:
негативно заряджено - якщо надлишок електронів;
позитивно заряджено - якщо нестача електронів.
Електризація тіл- це один із способів отримання заряджених тіл, наприклад, дотиком).
При цьому обидва тіла заряджаються, причому заряди протилежні за знаком, але рівні за модулем.
Закон збереження електричного заряду.
У замкнутій системі алгебраїчна сума зарядів всіх частинок залишається незмінною.
(...але, не числа заряджених частинок, тому що існують перетворення елементарних частинок).
Замкнута система
Система частинок, в яку не входять ззовні та не виходять назовні заряджені частинки.
Закон Кулону
Основний закон електростатики.
Сила взаємодії двох точкових нерухомих заряджених тіл у вакуумі прямо пропорційна
добутку модулів заряду і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Коли тіла вважаються точковими? - якщо відстань між ними набагато більше розмірів тіл.
Якщо два тіла мають електричні заряди, то вони взаємодіють за законом Кулона.
Одиниця електричного заряду
1 Кл - заряд, що проходить за 1 секунду через поперечний переріз провідника за силою струму 1 А.
1 Кл – дуже великий заряд.
Елементарний заряд:
ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ
Існує навколо електричного заряду матеріально.
Основна властивість електричного поля: дія із силою на ел.заряд, внесений до нього.
Електростатичне поле- Поле нерухомого ел.заряду, не змінюється з часом.
Напруженість електричного поля.- кількісна характеристика ел. поля.
- це відношення сили, з якою поле діє внесений точковий заряд до величини цього заряду.
- не залежить від величини заряду, а характеризує електричне поле!
Напрямок вектора напруженості
збігається з напрямком вектора сили, що діє на позитивний заряд, і протилежно напрямку сили, що діє негативний заряд.
Напруженість поля точкового заряду:
де q0 – заряд, що створює електричне поле.
У будь-якій точці поля напруженість завжди спрямована вздовж прямої, що з'єднує цю точку і q0.
ЕЛЕКТРОЄМНІСТЬ
Характеризує здатність двох провідників накопичувати електричний заряд.
- не залежить від q та U.
- Залежить від геометричних розмірів провідників, їх форми, взаємного розташування, електричних властивостей середовища між провідниками.
Одиниці виміру в СІ: (Ф - фарад)
КОНДЕНСАТОРИ
Електротехнічний пристрій, що накопичує заряд
(Два провідника, розділених шаром діелектрика).
Де d набагато менше розмірів провідника.
Позначення на електричних схемах:
Все електричне поле зосереджено усередині конденсатора.
Заряд конденсатора – це абсолютне значення заряду однієї з обкладок конденсатора.
Види конденсаторів:
1. на вигляд діелектрика: повітряні, слюдяні, керамічні, електролітичні
2. формою обкладок: плоскі, сферичні.
3. за величиною ємності: постійні, змінні (підстроювальні).
Електроємність плоского конденсатора
де S - площа пластини (обкладки) конденсатора
d - відстань між пластинами
eо - електрична постійна
e - діелектрична проникність діелектрика
Включення конденсаторів у електричний ланцюг
паралельне
послідовне
Тоді загальна електроємність (С):
при паралельному включенні
. 
при послідовному включенні
АКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Електричний струм- упорядкований рух заряджених частинок (вільних електронів чи іонів).
При цьому через поперечний переріз провідника перно ел. заряд (при тепловому русі заряджених частинок сумарний перенесений ел. зпряд = 0, тому що позитивні та негативні заряди компенсуються).
Напрямок ел. струму- умовно прийнято вважати напрямок руху позитивно заряджених частинок (від + до -).
Дії ел. струму (у провіднику):
теплова дія струму- Нагрівання провідника (крім надпровідників);
хімічна дія струму -проявляється тільки у електролітів, На електродах виділяються речовини, що входять до складу електроліту;
магнітна дія струму(основне) - спостерігається у всіх провідників (відхилення магнітної стрілки поблизу провідника зі струмом та силова дія струму на сусідні провідники за допомогою магнітного поля).
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ДІЛЬНИЦЯ ЛАНЦЮГУ
де R - опір ділянки ланцюга. (сам провідник теж вважатимуться ділянкою ланцюга).
До кожного провідника існує своя певна вольт-амперна характеристика.
ОПІР
Основна електрична характеристика провідника.
- за законом Ома ця величина стала для даного провідника.
1 Ом – це опір провідника з різницею потенціалів на його кінцях
1 В і силою струму в ньому 1 А.
Опір залежить тільки від властивостей провідника:
де S - площа поперечного перерізу провідника, l - довжина провідника,
ро - питомий опір, що характеризує властивості речовини провідника.
ЕЛЕКТРИЧНІ ЛАНЦЮГИ
Складаються з джерела, споживача електричного струму, дротів, вимикача.
НАСЛІДНЕ З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ
I - сила струму в ланцюзі
U – напруга на кінцях ділянки ланцюга
ПАРАЛЕЛЬНЕ З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ
I - сила струму в нерозгалуженій ділянці ланцюга
U – напруга на кінцях ділянки ланцюга
R - повний опір ділянки ланцюга
Згадай, як підключаються вимірювальні прилади:
Амперметр - включається послідовно з провідником, у якому вимірюється сила струму.
Вольтметр - підключається паралельно до провідника, на якому вимірюється напруга.
АБОТА ПОСТОЯННОГО СТРУМУ
Робота струму- це робота електричного поля з перенесення електричних зарядів вздовж провідника;
Робота струму на ділянці ланцюга дорівнює добутку сили струму, напруги та часу, протягом якого робота відбувалася.
Застосовуючи формулу закону Ома для ділянки ланцюга, можна записати кілька варіантів формули для розрахунку роботи струму:
За законом збереження енергії:
Робота дорівнює зміні енергії ділянки ланцюга, тому енергія, що виділяється провідником, дорівнює роботі струму.
У системі СІ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦЯ
При проходженні струму провіднику нагрівається, і відбувається теплообмін з навколишнім середовищем, тобто. провідник віддає теплоту оточуючим його тілам.
Кількість теплоти, що виділяється провідником із струмом у навколишнє середовище, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму по провіднику.
За законом збереження енергії кількість теплоти, що виділяється провідником чисельно дорівнює роботі, яку здійснює струм, що протікає по провіднику, за цей же час.
У системі СІ:
[Q] = 1 Дж
ПОТУЖНІСТЬ ПОСТОЯННОГО СТРУМУ
Відношення роботи струму за час t до інтервалу часу.
У системі СІ:
Явище надпровідності
Відкриття низькотемпературної надпровідності:
1911р. - голландський вчений Камерлінг - Оннес
спостерігається при наднизьких температурах (нижче 25 К) у багатьох металах та сплавах;
за таких температур питомий опір цих речовин стає зникаюче малим.
У 1957 р. дано теоретичне пояснення явища надпровідності:
Купер (США), Боголюбов (СРСР)
1957р. досвід Коллінза: струм у замкнутому ланцюзі без джерела струму не припинявся протягом 2,5 років.
У 1986 р. відкрита (для металокераміки) високотемпературна надпровідність (при 100 К).
Труднощі досягнення надпровідності:
- Необхідність сильного охолодження речовини
Галузь застосування:
- Отримання сильних магнітних полів;
- потужні електромагніти з надпровідною обмоткою в прискорювачах та генераторах.
Зараз в енергетиці існує велика проблема
- великі втрати електроенергії під час передачіїї з дротів.
Можливе рішенняпроблеми:
при надпровідності опір провідників приблизно дорівнює 0
та втрати енергії різко зменшуються.
Речовина із найвищою температурою надпровідності
У 1988 р. США, за температури –148°З отримано явище надпровідності. Провідником служила суміш оксидів талію, кальцію, барію та міді – Тl2Са2Ва2Сu3Оx.
Напівпровідник
Речовина, у якої питомий опір може змінюватися в широких межах і дуже швидко зменшується з підвищенням температури, а це означає, що електрична провідність (1/R) збільшується.
- спостерігається у кремнію, германію, селену та в деяких сполук.
Механізм провідностіу напівпровідників
Кристали напівпровідників мають атомні кристалічні грати, де зовнішні електрони пов'язані з сусідніми атомами ковалентними зв'язками.
При низьких температурах у чистих напівпровідників вільних електронів немає і він поводиться як діелектрик.
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ВАКУУМІ
Що таке вакуум?
- це такий ступінь розрідження газу, при якому зіткнень молекул практично немає;
Електричний струм неможливий, т.к. можливу кількість іонізованих молекул не може забезпечити електропровідність;
- Створити ел.ток у вакуумі можна, якщо використовувати джерело заряджених частинок;
- дія джерела заряджених частинок може ґрунтуватися на явищі термоелектронної емісії.
Термоелектронна емісія
- це випромінювання електронів твердими або рідкими тілами при їх нагріванні до температур, що відповідають видимому світінню розжареного металу.
Нагрітий металевий електрод безперервно випромінює електрони, утворюючи навколо себе електронну хмару.
У рівноважному стані число електронів, що залишили електрод, дорівнює числу електронів, що повернулися на нього (бо електрод при втраті електронів заряджається позитивно).
Чим вища температура металу, тим вища щільність електронної хмари.
Вакуумний діод
Електричний струм у вакуумі можливий у електронних лампах.
Електронна лампа – це пристрій, у якому застосовується явище термоелектронної емісії.
Вакуумний діод - це двоелектродна (А-анод і К-катод) електронна лампа.
Усередині скляного балона створюється дуже низький тиск
Н - нитка розжарення, вміщена всередину катода для його нагрівання. Поверхня нагрітого катода випромінює електрони. Якщо анод з'єднаний з джерела струму, а катод з -, то в ланцюзі протікає
постійний термоелектронний струм. Вакуумний діод має односторонню провідність.
Тобто. струм в аноді можливий, якщо потенціал анода вищий за потенціал катода. В цьому випадку електрони з електронної хмари притягуються до анода, створюючи ел.струм у вакуумі.
Вольтамперна характеристика вакуумного діода
При малих напругах на аноді не всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода, і електричний струм невеликий. При високих напругах струм досягає насичення, тобто. максимальне значення.
Вакуумний діод використовується для випрямлення змінного струму.
Струм на вході діодного випрямляча:
Струм на виході випрямляча:
Електронні пучки
Це потік електронів, що швидко летять, в електронних лампах і газорозрядних пристроях.
Властивості електронних пучків:
Відхиляються у електричних полях;
- відхиляються у магнітних полях під дією сили Лоренца;
- при гальмуванні пучка, що потрапляє на речовину, виникає рентгенівське випромінювання;
- викликає свічення (люмінісценцію) деяких твердих і рідких тіл (люмінофорів);
- Нагріють речовину, потрапляючи на нього.
Електронно-променева трубка (ЕЛТ)
Використовуються явища термоелектронної емісії та властивості електронних пучків.
ЕПТ складається з електронної гармати, горизонтальних та вертикальних відхиляючих
пластин-електродів та екрану.
В електронній гарматі електрони, що випускаються підігрівним катодом, проходять через електрод-сітку, що управляє, і прискорюються анодами. Електронна гармата фокусує електронний пучок у крапку та змінює яскравість свічення на екрані. горизонтальні та вертикальні пластини, що відхиляють, дозволяють переміщати електронний пучок на екрані в будь-яку точку екрана. Екран трубки покритий люмінофором, який починає світитися під час бомбардування його електронами.
Існують два види трубок:
1) з електростатичним управлінням електронного пучка (відхилення ел. Пучка тільки ел.полем);
2) з електромагнітним управлінням (додаються магнітні котушки, що відхиляють).
Основне застосування ЕЛТ:
кінескопи у телеапаратурі;
дисплеї ЕОМ;
електронні осцилографи у вимірювальній техніці.
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ
У нормальних умовах газ - це діелектрик, тобто. він складається з нейтральних атомів та молекул і не містить вільних носіїв ел.струму.
Газ-провідник – це іонізований газ. Іонізований газ має електронно-іонну провідність.
Повітря є діелектриком в лініях електропередач, повітряних конденсаторах, контактних вимикачах.
Повітря є провідником у разі виникнення блискавки, електричної іскри, у разі виникнення зварювальної дуги.
Іонізація газу
Це розпад нейтральних атомів чи молекул на позитивні іони та електрони шляхом відриву електронів від атомів. Іонізація відбувається при нагріванні газу або дії випромінювань (УФ, рентген, радіоактивне) і пояснюється розпадом атомів та молекул при зіткненнях на високих швидкостях.
Газовий розряд
Це ел.ток в іонізованих газах.
Носіями зарядів є позитивні іони та електрони. p align="justify"> Газовий розряд спостерігається в газорозрядних трубках (лампах) при впливі електричного або магнітного поля.
Рекомбінація заряджених частинок
- газ перестає бути провідником, якщо іонізація припиняється, це відбувається через рекомбінацію (возз'єднання протилежно заряджених частинок).
Існує самостійний та несамостійний газовий розряд.
Несамостійний газовий розряд
Якщо дію іонізатора припинити, припиниться і розряд.
Коли розряд досягає насичення – графік стає горизонтальним. Тут електропровідність газу викликана лише дією іонізатора.
Самостійний газовий розряд
У цьому випадку газовий розряд продовжується і після припинення дії зовнішнього іонізатора за рахунок іонів та електронів, що виникли внаслідок ударної іонізації (= іонізації ел. удару); виникає зі збільшенням різниці потенціалів між електродами (виникає електронна лавина).
Несамостійний газовий розряд може переходити до самостійного газового розряду при Ua = U запалювання.
Електричний пробій газу
Процес переходу несамостійного газового розряду самостійний.
Самостійний газовий розряд буває 4-х типів:
1. тліючий – при низьких тисках (до декількох мм рт.ст.) – спостерігається в газосвітніх трубках та газових лазерах.
2. іскровий – при нормальному тиску та високій напруженості електричного поля (блискавка – сила струму до сотень тисяч ампер).
3. коронний – при нормальному тиску в неоднорідному електричному полі (на вістря).
4. дуговий - велика щільність струму, мала напруга між електродами (температура газу каналі дуги -5000-6000 градусів Цельсія); спостерігається у прожекторах, проекційній кіноапаратурі.
Ці розряди спостерігаються:
тліючий - у лампах денного світла;
іскровий - у блискавках;
коронний – в електрофільтрах, при витоку енергії;
дуговий - при зварюванні, в ртутних лампах.
Плазма
Це четвертий агрегатний стан речовини з високим ступенем іонізації за рахунок зіткнення молекул великої швидкості при високій температурі; зустрічається в природі: іоносфера – слабо іонізована плазма, Сонце – повністю іонізована плазма; штучна плазма – у газорозрядних лампах.
Плазма буває:
Низькотемпературна – при температурах менше 100 000К;
високотемпературна – при температурах більше 100 000К.
Основні властивості плазми:
Висока електропровідність
- сильна взаємодія із зовнішніми електричними та магнітними полями.
При температурі 
будь-яка речовина знаходиться у стані плазми.
Цікаво, що 99% речовини у Всесвіті – плазма.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ ДО ЗАЛІКУ
План:
- Вступ
- 1 Основні поняття
- 2 Основні рівняння
- 3 Зміст електродинаміки
- 4 Розділи електродинаміки
- 5 Прикладне значення
- 6 Історія
Вступ
Електродинаміка- Розділ фізики, що вивчає електромагнітне поле в найбільш загальному випадку (тобто, розглядаються змінні поля, що залежать від часу) та його взаємодія з тілами, що мають електричний заряд (електромагнітна взаємодія). Предмет електродинаміки включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (у різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) та його взаємодія з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянутий при цьому як сукупність заряджених частинок, що рухаються). Будь-яка електрична та магнітна взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснюється через посередництво електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.
Найчастіше під терміном електродинаміказа умовчанням розуміється класична (не торкається квантових ефектів) електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля та його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.
1. Основні поняття
Основні поняття, якими оперує електродинаміка, включають:
- Електромагнітне поле - це основний предмет вивчення електродинаміки, вид матерії, що виявляється при взаємодії із зарядженими тілами. Історично поділяється на два поля:
- Електричне поле - створюється будь-яким зарядженим тілом або змінним магнітним полем, впливає будь-яке заряджене тіло.
- Магнітне поле - створюється зарядженими тілами, що рухаються, зарядженими тілами, що мають спин, і змінними електричними полями, впливає на заряди, що рухаються, і заряджені тіла, що мають спин.
- Електричний заряд - це властивість тіл, що дозволяє створювати електромагнітні поля, а також взаємодіяти з цими полями.
- Електромагнітний потенціал - 4-векторна фізична величина, що повністю визначає розподіл електромагнітного поля у просторі. Виділяють:
- Електростатичний потенціал - тимчасова компонента 4-вектора
- Векторний потенціал - тривимірний вектор, утворений компонентами 4-вектора, що залишилися.
- Вектор Пойнтінг - векторна фізична величина, що має сенс щільності потоку енергії електромагнітного поля.
2. Основні рівняння
Основними рівняннями, що описують поведінку електромагнітного поля та його взаємодію із зарядженими тілами є:
- Рівняння Максвелла, що визначають поведінку вільного електромагнітного поля у вакуумі та середовищі, а також генерацію поля джерелами. Серед цих рівнянь можна виділити:
- Закон індукції Фарадея, визначальний генерацію електричного поля змінним магнітним полем.
- Теорема про циркуляцію магнітного поля з додаванням струмів зміщення, введених Максвеллом, визначає генерацію магнітного поля зарядами, що рухаються, і змінним електричним полем
- Теорема Гауса для електричного поля, що визначає генерацію електростатичного поля зарядами.
- Закон замкнутості силових ліній магнітного поля.
- Вираз для сили Лоренца, що визначає силу, що діє на заряд, що знаходиться в електромагнітному полі.
- Закон Джоуля - Ленца, що визначає величину теплових втрат у провідному середовищі з кінцевою провідністю, за наявності електричного поля.
Приватними рівняннями, що мають особливе значення, є:
- Закон Кулона, що поєднує теорему Гауса для електричного поля і силу Лоренца, і визначає електростатичну взаємодію двох точкових зарядів.
- Закон Ампера, що визначає силу, що діє елементарний струм, поміщений в магнітне поле.
- Теорема Пойнтінга, що виражає закон збереження енергії в електродинаміці.
3. Зміст електродинаміки
Основним змістом класичної електродинаміки є опис властивостей електромагнітного поля та його взаємодії із зарядженими тілами (заряджені тіла «породжують» електромагнітне поле, є його «джерелами», а електромагнітне поле у свою чергу діє на заряджені тіла, створюючи електромагнітні сили). Цей опис, крім визначення основних об'єктів і величин, таких як електричний заряд, електричне поле, магнітне поле, електромагнітний потенціал, зводиться до рівнянь Максвелла в тій чи іншій формі та формулі сили Лоренца, а також зачіпає деякі суміжні питання (що стосуються математичної фізики, додатків, допоміжних величин і допоміжних формул, важливих для додатків, наприклад вектор щільності струму або емпіричний закону Ома). Також цей опис включає питання збереження та перенесення енергії, імпульсу, моменту імпульсу електромагнітним полем, включаючи формули для щільності енергії, вектора Пойнтінга тощо.
Іноді під електродинамічними ефектами (на противагу електростатиці) розуміють ті суттєві відмінності загального випадку поведінки електромагнітного поля (наприклад, динамічний взаємозв'язок між електричним і магнітним полем, що змінюються) від статичного випадку, які роблять окремий статичний випадок набагато більш простим для опису, розуміння і розрахунків.
4. Розділи електродинаміки
- Електростатика описує властивості статичного (не змінюється з часом або змінюється досить повільно, щоб «електродинамічні ефекти» в описаному вище сенсі можна було знехтувати) електричного поля та його взаємодії з електрично зарядженими тілами (електричними зарядами).
- Магнітостатика досліджує постійні струми та постійні магнітні поля (поля не змінюються в часі або змінюються настільки повільно, що швидкість цих змін у розрахунку можна знехтувати), а також їх взаємодію.
- Електродинаміка суцільних середовищ розглядає поведінку електромагнітних полів у суцільних середовищах.
- Релятивістська електродинаміка розглядає електромагнітні поля в середовищах, що рухаються.
5. Прикладне значення
Електродинаміка лежить в основі фізичної оптики, фізики поширення радіохвиль, а також пронизує практично всю фізику, оскільки майже у всіх розділах фізики доводиться мати справу з електричними полями та зарядами, а часто і з їх нетривіальними швидкими змінами та рухами. Крім того, електродинаміка є зразковою фізичною теорією (і в класичному і квантовому своєму варіанті), що поєднує дуже велику точність розрахунків і передбачень з впливом теоретичних ідей, що народилися в її області, на інші області теоретичної фізики.
Електродинаміка має велике значення у техніці і є основою: радіотехніки, електротехніки, різних галузей зв'язку й радіо.
6. Історія
Першим доказом зв'язку електричних та магнітних явищ стало експериментальне відкриття Ерстедом у 1819–1820 породження магнітного поля електричним струмом. Він же висловив ідею про деяку взаємодію електричних та магнітних процесів у просторі, що оточує провідник, проте у досить неясній формі.
В 1831 Майкл Фарадей експериментально відкрив явище і закон електромагнітної індукції, що стали першим ясним свідченням безпосереднього динамічного взаємозв'язку електричного і магнітного полів. Він же розробив (стосовно електричного та магнітного полів) основи концепції фізичного поля та деякі базисні теоретичні уявлення, що дозволяють описувати фізичні поля, а також 1832 передбачив існування електромагнітних хвиль.
У 1864 році Дж. К. Максвелл вперше опублікував повну систему рівнянь «класичної електродинаміки», що описує еволюцію електромагнітного поля та його взаємодію із зарядами та струмами. Висловив теоретично обгрунтоване припущення у тому, що є електромагнітної хвилею, тобто. об'єктом електродинаміки.
Електродинаміка … Орфографічний словник-довідник
Класична, теорія (неквантова) поведінки електромагнітного поля, що здійснює взаємодію між електрич. зарядами (електромагнітна взаємодія). Закони класич. макроскопіч. е. сформульовані в Максвелла рівняннях, які дозволяють … Фізична енциклопедія
- (Від слова електрика, і грецьк. dinamis сила). Частина фізики, що трактує дію електричних струмів. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н., 1910. ЕЛЕКТРОДИНАМІКА від слова електрика, та грецьк. dynamis, сила … Словник іноземних слів російської мови
Сучасна енциклопедія
Електродинаміка- класична, теорія неквантових електромагнітних процесів, у яких основну роль відіграють взаємодії між зарядженими частинками у різних середовищах та у вакуумі. Становленню електродинаміки передували праці Ш. Кулона, Ж. Біо, Ф. Савара, … Ілюстрований енциклопедичний словник
Класична теорія електромагнітних процесів у різних середовищах та у вакуумі. Охоплює величезну сукупність явищ, у яких основну роль відіграють взаємодії між зарядженими частинками, які здійснюються за допомогою електромагнітного поля. Великий Енциклопедичний словник
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА, у фізиці область, що вивчає взаємодію між електричним та магнітним полями та зарядженими тілами. Початок цієї дисципліни поклав у ХІХ ст. своїми теоретичними працями Джеймс Максвелл, згодом вона стала частиною ... Науково-технічний енциклопедичний словник
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА, електродинаміки, мн. ні, дружин. (Див. електрику та динаміка) (фіз.). Відділ фізики, що вивчає властивості електричного струму, електрики у русі; ант. електростатика. Тлумачний словник Ушакова. Д.М. Ушаків. 1935 1940 … Тлумачний словник Ушакова
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА, і, ж. (Спец.). Теорія електромагнітних процесів у різних середовищах та у вакуумі. Тлумачний словник Ожегова. С.І. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Тлумачний словник Ожегова
Сущ., кіл у синонімів: 2 динаміка (18) фізика (55) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів
електродинаміка- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN electrodynamics … Довідник технічного перекладача
Книги
- Електродинаміка, А. Є. Іванов. Цей навчальний посібник є самодостатнім: у ньому викладаються лекції, які протягом кількох років читалися доцентом спеціалізованого навчально-наукового центру МДТУ ім. Н. Е. Баумана ...
- Електродинаміка, Сергій Анатолійович Іванов. …
Визначення 1
Електродинаміка - це величезна і важлива область фізики, в якій досліджуються класичні, неквантові властивості електромагнітного поля та руху позитивно заряджених магнітних зарядів, що взаємодіють один з одним за допомогою цього поля.
Малюнок 1. Коротко для електродинаміки. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт
Електродинаміка представляється широким комплексом різноманітних постановок завдань та їх грамотних рішень, наближених способів та окремих випадків, які об'єднані в одне ціле загальними початковими законами та рівняннями. Останні, становлячи основну частину класичної електродинаміки, докладно представлені у формулах Максвелла. В даний час вчені продовжують вивчати принципи зазначеної галузі у фізиці, скелет її побудови взаємини з іншими науковими напрямами.
Закон Кулона в електродинаміці позначається таким чином: $ F = \ frac (kq1q2) (r2) $, де $ k = \ frac (9 \ cdot 10 (H \ cdot m)) (Кл) $. Рівняння напруженості електричного поля записується так: $E= \frac(F)(q)$, а потік вектора індукції магнітного поля $∆Ф=В∆S \cos(a)$.
В електродинаміці насамперед вивчаються вільні заряди та системи зарядів, які сприяють активізації безперервного енергетичного спектру. Класичному опису електромагнітного взаємодії сприяє те, що є ефективним вже у низькоенергетичному межі, коли енергетичний потенціал частинок і фотонів малий проти енергією спокою електрона.
У таких ситуаціях найчастіше відсутня анігіляція заряджених частинок, оскільки є лише поступова зміна стану їхнього нестабільного руху в результаті обміну великою кількістю низькоенергетичних фотонів.
Зауваження 1
Однак і при високих енергіях частинок у середовищі, незважаючи на суттєву роль флуктуації, електродинаміка може бути використана з успіхом для комплексного опису середньостатистичних, макроскопічних характеристик та процесів.
Основні рівняння електродинаміки
Основними формулами, які описують поведінку електромагнітного поля та його пряму взаємодію із зарядженими тілами, є рівняння Максвелла, що визначають ймовірні дії вільного електромагнітного поля в середовищі та вакуумі, а також загальну генерацію поля джерелами.
Серед цих положень у фізиці можна виділити:
- теорема Гауса для електричного поля - призначена визначення генерації електростатичного поля позитивними зарядами;
- гіпотеза замкнутості силових ліній - сприяє взаємодії процесів усередині самого магнітного поля;
- закон індукції Фарадея – встановлює генерацію електричного та магнітного поля змінними властивостями довкілля.
В цілому, теорема Ампера - Максвелла - це унікальна ідея про циркуляцію ліній в магнітному полі з поступовим додаванням струмів зсуву, введених самим Максвеллом, точно визначає трансформацію магнітного поля зарядами, що рухаються, і змінною дією електричного поля.
Заряд та сила в електродинаміці
В електродинаміці взаємодія сили та заряду електромагнітного поля виходить з наступного спільного визначення електричного заряду $q$, енергії $E$ і магнітного $B$ полів, які затверджуються як основний фізичний закон, заснований на всій сукупності експериментальних даних. Формулу для сили Лоренца (у межах ідеалізації точкового заряду, що рухається з певною швидкістю), записують із заміною швидкості $v$.
У провідниках часто міститься величезна кількість зарядів, отже, ці заряди досить добре компенсовані: кількість позитивних і негативних зарядів завжди рівні між собою. Отже, сумарна електрична сила, яка постійно діє провідник, дорівнює також нулю. Магнітні ж сили, що функціонують на окремих зарядів у провіднику, не компенсуються, адже за наявності струму швидкості руху зарядів завжди різні. Рівняння дії провідника зі струмом у магнітному полі можна записати так: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $
Якщо досліджувати не рідину, а повноцінний і стабільний потік заряджених частинок як струм, то весь енергетичний потенціал, що проходить лінійно через майданчик за $1с$,- і буде силою струму, що дорівнює $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, де $ρ$ - щільність заряду (в одиниці обсягу загальному потоці).
Примітка 2
Якщо магнітне та електричне поле систематично змінюється від точки до точки на конкретному майданчику, то у виразах та формулах для часткових потоків, як і у випадку з рідиною, обов'язково проставляються середні показники $E ⃗ $і $B ⃗$ на майданчику.
Особливе становище електродинаміки у фізиці
p align="justify"> Значне становище електродинаміки в сучасній науці можливо підтвердити за допомогою відомого твору А. Ейнштейна, в якому були детально викладені принципи та основи спеціальної теорії відносності. Наукова праця видатного вченого називається «До електродинаміки рухомих тіл», і включає величезну кількість важливих рівнянь і визначень.
Як окрема галузь фізики електродинаміка складається з таких розділів:
- вчення про поле нерухомих, але електрично заряджених фізичних тіл та частинок;
- вчення про властивості електричного струму;
- вчення про взаємодію магнітного поля та електромагнітної індукції;
- вчення про електромагнітні хвилі та коливання.
Усі вищезгадані розділи на одне ціле об'єднує теорема Д. Максвелла, який створив і представив струнку теорію електромагнітного поля, а й описав всі його властивості, довівши його реальне існування. Робота саме цього вченого показала науковому світу, що відомі на той момент електричне та магнітне поля є лише проявом єдиного електромагнітного поля, що функціонує в різних системах відліку.
Істотна частина фізики присвячена вивченню електродинаміки та електромагнітних явищ. Ця область значною мірою претендує на статус окремої науки, тому що вона не лише досліджує всі закономірності електромагнітних взаємодій, а й детально описує їх у вигляді математичних формул. Глибокі та багаторічні дослідження електродинаміки відкрили нові шляхи для використання електромагнітних явищ на практиці для блага всього людства.