Elektrodinamika

Pojasnjujemo, kaj so elektrodinamika, njena zgodovina, temelji, glavni zakoni in aplikacije

Kaj je elektrodinamika?

The Elektrodinamika Podružnica fizike se udeležuje vsega, kar je povezano z gibanjem električnih nabojev. Opišite, kakšen je evolucija v času nabora N delcev z maso in električnim nabojem, od katerih sta znana njen začetni položaj in hitrost.

Če gre za velik nabor delcev z zagon Majhno, njihovo gibanje in interakcije, ki se odvijajo med njimi.

In če je zagon delcev velik in je število delcev majhno, je treba upoštevati relativistične in kvantne učinke.

Študij sistema dodajte relativistične in kvantne učinke, odvisno od energije fotonov med interakcijo. Fotoni so delci brez obremenitve ali mase (za praktične namene), ki se izmenjujejo, kadar obstaja privlačnost ali električno odbojnost.

Če je zagon fotonov majhen, v primerjavi z zagonom sistema, klasični opis zadostuje za pridobitev karakterizacije tega.

Kratka zgodovina elektrodinamike

Zakoni, ki opisujejo dinamiko nabitih delcev, so bili odkriti med koncem 18. in srednjega devetnajstega stoletja, ko se pojavi koncept električnega toka, ki je posledica eksperimentalnega in teoretičnega dela mnogih znanstvenikov.

Italijanski fizik Alessandro Volta (1745-1827) je prvi voltaični kup izdelal ob zori devetnajstega stoletja. Z njim je dobil neprekinjen tok, katerega učinke so začeli takoj preučevati.

Ilustracija Alessandro Volta

Povezava med premikajočimi se električnimi naboji in magnetizmom je bila razkrita s poskusi fizika Hansa Christiana Oersteda (1777-1851) leta 1820. V njih je bilo opaziti, da je električni tok uspel premakniti iglo kompasa na enak način kot magneti.

Anddré Marie Ampere (1775-1836) je na matematičen način vzpostavila povezavo med sedanjim in magnetizmom z zakonom.

Hkrati je Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitativno preučil način, kako materiali izvajajo elektriko. Razvil je tudi koncept električne odpornosti in njenega odnosa z napetostjo in tokom, prek Ohmovega zakona za vezja.

Lahko vam služi: stacionarna teorija države: zgodovina, razlaga, novice

Michael Faraday (1791-1867) je našel način za ustvarjanje toka skozi relativno gibanje med virom magnetnega polja in zaprtim vezjem.

Nekaj ​​časa kasneje je fizik James Clerk Maxwell (1831-1879) ustvaril teorijo za elektromagnetizem, ki je poenotila vse odkrite zakone, in pojasnila do takrat znane pojave.

Poleg tega je Maxwell s svojimi enačbami napovedal več učinkov, ki so bili kasneje potrjeni. Na primer, ko je Heinrich Hertz (1857-1894), odkrivalec radijskih valov, preveril, ali so se premikali s hitrostjo svetlobe.

S pojavom teorije relativnosti je bilo na začetku 20. stoletja mogoče razložiti vedenje delcev s hitrostjo, ki je blizu svetlobe. Medtem je kvantna mehanika rafinirala elektrodinamiko z uvedbo koncepta vrtenja in razlagi izvora magnetizma v zadevi.

Osnove elektrodinamike

Elektrodinamika se ukvarja s preučevanjem premikajočih se obremenitev

Elektrodinamika temelji na štirih zakonih, ki so znani kot: Coulombov zakon, Gaussovo pravo, zakon Ampere in Faraday Law.

Ti štirje zakoni in načelo ohranjanja obremenitve, ki izhaja iz njih, in zakona sile Lorentz.

Če je hitrost delcev blizu hitrosti svetlobe, je njegovo vedenje spremenjeno in je treba v klasično teorijo dodati nekaj relativističnih popravkov, ki izhajajo iz teorije relativnosti Alberta Einsteina (relativistična elektrodinamika).

In ko je lestvica pojavov, ki jih je treba preučiti, atomski ali manjši obseg, kvantni učinki pridobijo pomen, kar povzroči Kvantna elektrodinamika.

Matematični temelji elektrodinamike

Matematika, potrebna za preučevanje elektrodinamike. Sodelujejo tudi skalarna polja, kot sta električni potencial in magnetni tok.

Vam lahko služi: geometrijska optika: katere študije, zakoni, aplikacije, vaje

Matematični operaterji za tiste, ki izhajajo iz vektorskih funkcij, so:

• Gradient.
• Razhajanje.
• Rotacijski.
• LaPlaciano.

Za ločljivost Maxwella so potrebni koordinatni sistemi. Poleg kartezijanskih koordinat je uporaba valjastih koordinat in sferičnih koordinat pogosta.

V integraciji se pojavljajo teoremi zelenega, Stokesa in razhajanja.

Končno obstaja funkcija, ki se imenuje Dirac Delta, ki je opredeljen s svojimi lastnostmi in je zelo koristen za izražanje polnjenja porazdelitve, omejenih na določeno dimenzijo, na primer linearno, površinsko porazdelitev, točko ali ravnino.

Elektromagnetni valovi

Izvor elektromagnetnih valov je v električnih obremenitvah, katerih gibanje se pospeši. Spremenljiv električni tok v času, proizvede električno polje, ki ga opisuje vektorska funkcija In (x, y, z, t) in posledično ustvari magnetno polje B (X, y, z, t).

Ta polja so združena in tvorijo elektromagnetno polje, v katerem električno polje izvira na magnetno polje in obratno.

Elektrodinamični zakoni

Ko so električni naboji statični, med njimi obstaja elektrostatična privlačnost ali odboj, medtem ko magnetna interakcija izhaja iz gibanja obremenitev.

Maxwellove štiri enačbe nanašajo vsako polj z njihovim virom in skupaj z Lorentzovo močjo sestavljajo teoretično osnovo elektrodinamike.

Spominska plošča z Maxwellovimi enačbami (v smislu diferencialnih operaterjev), ki je del kipa, postavljenega v mestu Edinburgh v čast škotskega fizika. Vir: Wikimedia Commons.

Zakon o Gaussu

Električni poljski tok, ki izhaja iz prostornine, ki jo obdaja zaprta površina S, je sorazmeren z neto obremenitvijo, zaprto v njej:

Kje dDo Je diferencialna območja in k To je elektrostatična konstanta. Ta zakon je posledica zakona o Coulomb za silo med električnimi naboji.

Gaussov zakon magnetizma

Pretok magnetnega polja skozi prostornino, ki jo omejuje zaprta površina S, je ničen, ker magnetni monopoli ne obstajajo.

Posledično je, dokler je magnet omejen znotraj volumna, ki ga omejuje S, je število poljskih linij do S enako številu vrstic, ki se pojavijo:

Vam lahko služi: ročna ročica

Faraday zakon

Michael Faraday je odkril, da relativno gibanje med zaprtim kovinskim spazo C in magnetom ustvari inducirani tok. Inducirana napetost (elektromotivna sila) ε_ind, povezan s tem tokom, je sorazmerna z začasnim derivatom magnetnega toka φ_B To prečka območje, ki ga je omejila La Espira:

Manj znak je Lenzov zakon, ki kaže, da inducirana napetost nasprotuje spremembi toka, ki ga proizvaja. Toda inducirana elektromotorna sila je integralna črta električnega polja vzdolž zaprte ceste C, zato:

Ampere-maxwell zakon

Cirkulacija magnetnega polja na krivulji C je sorazmerna s skupnim tokom, ki obdaja krivuljo. K temu obstajata dva prispevka: prevodni tok I in premični tok, ki izvirata s spreminjanjem časa električnega toka φ_In:

Kjer μ_tudi in ε_tudi Sta konstantna, prva je Vakuumska prepustnost in drugi Električna možnost.

Lorentzov zakon

Maxwellove enačbe opisujejo razmerje med In, B in njihove vire, vendar dinamiko električnega naboja opisuje Lorentzov zakon ali Lorentzov zakon.

Poudarja, da skupna sila, ki deluje na breme q To se premika s hitrostjo v Sredi električnega polja In in magnetno polje B (ne proizvedeno q) daje:

F = qIn + qv x B

Elektrodinamične aplikacije

Naročene premikajoče se obremenitve predstavljajo električni tok, ki lahko ustvari energijo za koristno delo: žarnice, premikanje motorjev, skratka, začnejo številne naprave.

Električna porazdelitev energije

Elektrodinamika omogoča prenos električne energije s pomočjo izmeničnega toka iz oddaljenih krajev, kjer se energija preoblikuje in ustvarja, v mesta, panoge in gospodinjstva.

Elektronika

Elektrodinamika je kot svoj cilj študij premikanja obremenitev fizikalna osnova elektronike, ki obravnava oblikovanje naprav, ki z elektronskimi vezji uporabijo pretok električnih obremenitev za ustvarjanje, prenos, sprejemanje, sprejemanje in shranjevanje elektromagnetnih signalov vsebujejo informacije.

Reference

1. Cosenza, m. Elektromagnetizem. Univerza v Andih.
2. Díaz, r. Elektrodinamika: zapiske razredov. Nacionalna univerza v Kolumbiji.
3. Figueroa, d. (2005). Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 6. Elektromagnetizem. Uredil Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klasična elektrodinamika. 3. mesto. Ed. Wiley.
5. Tarazona, c. Uvod v elektrodinamiko. Uredniška univerza Manuela Beltrán.