De elektrodynamik Det är fysikens gren som handlar om allt som har med elektriska laddningar att göra. Beskriv utvecklingen i tid för en uppsättning N-partiklar med massa och elektrisk laddning, vars ursprungliga position och hastighet är kända..
Om det är en stor uppsättning partiklar med Momentum liten, dess rörelse och interaktioner som äger rum mellan dem beskrivs makroskopiskt genom klassisk elektrodynamik, som använder Newtons rörelselagar och Maxwells lagar.
Och om partiklarnas momentum är stort och antalet partiklar är litet, måste de relativistiska och kvanteffekterna beaktas..
Att lägga till relativistiska och kvanteffekter till studiet av systemet beror på energin hos de fotoner som är inblandade under interaktionen. Fotoner är partiklar utan laddning eller massa (för praktiska ändamål) som byts ut när det finns en elektrisk attraktion eller avstötning.
Om fotonen är liten, jämfört med systemets momentum, är den klassiska beskrivningen tillräcklig för att få karaktäriseringen av detta.
Artikelindex
Lagarna som beskriver laddningen av laddade partiklar upptäcktes mellan slutet av 1700-talet och mitten av 1800-talet, när begreppet elektrisk ström uppstod, som ett resultat av många forskares experimentella och teoretiska arbete..
Den italienska fysikern Alessandro Volta (1745-1827) gjorde den första voltaiska högen i början av 1800-talet. Med den fick han en likström vars effekter började studeras omedelbart.
Länken mellan elektriska laddningar i rörelse och magnetism avslöjades med experimenten från fysikern Hans Christian Oersted (1777-1851) 1820. I dem observerades att en elektrisk ström kunde flytta kompassnålen på samma sätt som magneter.
Det var André Marie Ampere (1775-1836) som i matematisk form etablerade länken mellan ström och magnetism genom lagen som bär hans namn.
Samtidigt studerade Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitativt hur material leder elektricitet. Han utvecklade också begreppet elektriskt motstånd och dess förhållande till spänning och ström genom Ohms lag för kretsar.
Michael Faraday (1791-1867) hittade ett sätt att generera en ström genom den relativa rörelsen mellan magnetfältets källa och en sluten krets.
Någon tid senare skapade fysikern James Clerk Maxwell (1831-1879) en teori för elektromagnetism som förenade alla upptäckta lagar och förklarade de kända fenomenen fram till dess.
Dessutom förutspådde Maxwell genom sina ekvationer flera effekter som senare bekräftades. Till exempel när Heinrich Hertz (1857-1894), upptäckare av radiovågor, verifierade att de rörde sig med ljusets hastighet.
Med tillkomsten av relativitetsteorin, i början av 1900-talet, var det möjligt att förklara partiklarnas beteende med hastigheter nära ljusets, medan kvantmekaniken förädlade elektrodynamik genom att introducera begreppet snurr och därmed förklara ursprunget av magnetism i materia.
Elektrodynamik är baserad på fyra lagar, vilka är separat kända som: Coulombs lag, Gauss lag, Amperes lag och Faradays lag..
Dessa fyra lagar plus principen om bevarande av laddning, som härrör från dem och Lorentz-kraftlagen, beskriver hur elektriska laddningar interagerar ur klassisk synvinkel (utan att betrakta foton som en medlare).
Om partiklarnas hastighet är nära ljusets, ändras deras beteende och det är nödvändigt att lägga till relativistiska korrigeringar till den klassiska teorin som härrör från Albert Einsteins relativitetsteori (relativistisk elektrodynamik).
Och när skalan för de fenomen som ska studeras är atomskalan eller mindre, får kvanteffekterna relevans och ger upphov till kvantelektrodynamik.
Den matematik som är nödvändig för studiet av elektrodynamik är Vector Algebra och Vector Calculus, eftersom elektriska och magnetiska fält är enheter av vektor. Skalfält, såsom elektrisk potential och magnetiskt flöde, deltar också.
De matematiska operatorerna för derivat av vektorfunktioner är:
Koordinatsystem krävs för att lösa Maxwells ekvationer. Förutom kartesiska koordinater är användningen av cylindriska koordinater och sfäriska koordinater vanligt..
I integrationen visas satserna Green, Stokes och divergenssatsen.
Slutligen finns det en funktion som heter Dirac delta, som definieras genom dess egenskaper och är mycket användbar för att uttrycka lastfördelningar begränsade till en viss dimension, till exempel en linjär, ytfördelning, en punkt eller ett plan.
Ursprunget till elektromagnetiska vågor är elektriska laddningar vars rörelse accelereras. En tidsvarierande elektrisk ström producerar ett elektriskt fält, beskrivet av vektorfunktionen OCH(x, y, z, t) och producerar i sin tur ett magnetfält B (x, y, z, t).
Dessa fält kombineras för att bilda det elektromagnetiska fältet, där det elektriska fältet kommer från magnetfältet och vice versa..
När elektriska laddningar är statiska, finns det elektrostatisk attraktion eller avstötning mellan dem, medan den magnetiska interaktionen uppstår från laddningens rörelse..
De fyra Maxwell-ekvationerna relaterar vart och ett av fälten till dess källa, och tillsammans med Lorentz-kraften utgör de den teoretiska grunden för elektrodynamik..
Det elektriska fältflödet som lämnar en volym innesluten av den stängda ytan S, är proportionell mot den nettoladdning som är innesluten i den:
Var dTILL är en areaskillnad och k är den elektrostatiska konstanten. Denna lag är en följd av Coulombs lag för kraften mellan elektriska laddningar.
Magnetfältets flöde genom en volym som avgränsas av en sluten yta S är noll, eftersom de magnetiska monopolerna inte finns.
Följaktligen, närhelst en magnet är innesluten i en avgränsad volym av S, är antalet fältlinjer som matar in S lika med antalet linjer som lämnar:
Michael Faraday upptäckte att den relativa rörelsen mellan en sluten metallslinga C och en magnet genererar en inducerad ström. Den inducerade spänningen (elektromotorisk kraft) εind, associerad med denna ström, är proportionell mot tidsderivatet av magnetflödet ΦB som korsar området avgränsat av slingan:
Minustecknet är Lenzs lag, som säger att den inducerade spänningen motsätter sig förändringen i flödet som producerar den. Men den inducerade elektromotoriska kraften är linjens integral i det elektriska fältet längs den stängda vägen C, därför:
Cirkulationen av magnetfältet på en kurva C är proportionell mot den totala strömmen som kurvan slutar. Det finns två bidrag till det: ledningsströmmen I och deplacementströmmen orsakad av tidsvariationen för det elektriska flödet ΦOCH:
Där μeller och εeller är konstanta, den första är vakuumpermeabilitet och den andra den elektrisk permittivitet av vakuum.
Maxwells ekvationer beskriver förhållandet mellan OCH, B och deras respektive källor, men dynamiken i en elektrisk laddning beskrivs av Lorentz-lagen eller Lorentz-styrkan.
Hon påpekar att den totala kraften som verkar på en last Vad som rör sig med fart v mitt i ett elektriskt fält OCH och ett magnetfält B (produceras inte av Vad) ges av:
F = qOCH + Vadv x B
Avgifterna i ordnad rörelse utgör en elektrisk ström, som kan generera energi för att göra användbart arbete: tända glödlampor, rörliga motorer, kort sagt, starta många enheter..
Elektrodynamik möjliggör överföring av elektrisk energi genom växelström från avlägsna platser där energi transformeras och genereras till städer, industrier och hem.
Genom att sikta på studien av laddningar i rörelse är elektrodynamik den fysiska grunden för elektronik, som handlar om att utforma enheter som genom elektroniska kretsar använder flödet av elektriska laddningar för att generera, sända, ta emot och lagra elektromagnetiska signaler som innehåller information.
Ingen har kommenterat den här artikeln än.