Elektrodynamika

Vysvetľujeme, čo je elektrodynamika, jej história, základy, hlavné zákony a aplikácie

Čo je elektrodynamika?

Ten elektrodynamika Je to odvetvie fyziky, ktorá sa zúčastňuje všetkého, čo súvisí s pohybom elektrických nábojov. Opíšte, aký je vývoj v čase súboru n častíc s hmotnosťou a elektrickým nábojom, z ktorých je známa jeho počiatočná poloha a rýchlosť.

Ak je to veľká súprava častíc s spád Malý, ich pohyb a interakcie, ktoré sa medzi nimi odohrávajú, sú opísané makroskopicky prostredníctvom klasickej elektrodynamiky, ktorá využíva Newtonove zákony o hnutí a zákonoch Maxwell.

A ak je hybnosť častíc veľká a počet častíc je malý, musia sa zohľadniť relativistické a kvantové účinky.

Pridajte relativistické a kvantové účinky do štúdie systému, závisí od energie fotónov zapojených počas interakcie. Fotóny sú častice bez zaťaženia alebo hmotnosti (na praktické účely), ktoré sa vymieňajú vždy, keď dôjde k príťažlivosti alebo elektrickým odporom.

Ak je hybnosť fotónov malá, v porovnaní s hybnosťou systému, klasický opis je dostatočný na získanie charakterizácie tohto.

Stručná história elektrodynamiky

Zákony, ktoré opisujú dynamiku nabitých častíc, boli objavené medzi koncom 18. a polovice v polovici storočia, keď vznikne koncept elektrického prúdu, v dôsledku experimentálnej a teoretickej práce mnohých vedcov.

Taliansky fyzik Alessandro Volta (1745-1827) vyrobil prvú voltaickú hromadu na úsvite 19. storočia. S tým získal nepretržitý prúd, ktorého účinky sa začali okamžite študovať.

Ilustrácia Alessandro Volta

Spojenie medzi pohybujúcimi sa elektrickými nábojmi a magnetizmom bolo odhalené experimentmi fyzik Hans Christian Oersted (1777-1851) v roku 1820. V nich sa zistilo, že elektrický prúd bol schopný pohybovať ihlou kompasu rovnakým spôsobom ako magnety.

Bol to André Marie Ampere (1775-1836), ktorý v matematickom spôsobe založil spojenie medzi súčasným a magnetizmom prostredníctvom zákona, ktoré nesie jeho meno.

Súčasne Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitatívne študoval spôsob, akým materiály vedú elektrinu. Vyvinul tiež koncept elektrického odporu a jeho vzťah s napätím a prúdom prostredníctvom Ohmovho zákona pre obvody.

Môže vám slúžiť: Stacionárna teória štátu: História, vysvetlenie, správy

Michael Faraday (1791-1867) našiel spôsob, ako vygenerovať prúd relatívnym pohybom medzi zdrojom magnetického poľa a uzavretým obvodom.

O niečo neskôr fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879) vytvoril teóriu pre elektromagnetizmus, ktorý zjednotil všetky objavené zákony a vysvetlil, že fenomény známe do tej doby.

Okrem toho prostredníctvom svojich rovníc Maxwell predpovedal niekoľko účinkov, ktoré boli neskôr potvrdené. Napríklad, keď Heinrich Hertz (1857-1894), objavca rádiových vĺn, overil, že sa pohybovali rýchlosťou svetla.

S príchodom teórie relativity, na začiatku 20. storočia, bolo možné vysvetliť správanie častíc s rýchlosťami blízkymi k svetlu. Medzitým kvantová mechanika rafinovala elektrodynamiku zavedením konceptu rotácie a vysvetlením pôvodu magnetizmu vo veci.

Elektrodynamické základy

Elektrodynamika sa zaoberá štúdiom pohyblivého zaťaženia

Elektrodynamika je založená na štyroch zákonoch, ktoré sú známe ako: Coulombov zákon, Gaussov zákon, zákon Amphere a Faradayov zákon.

Tieto štyri zákony plus zásada ochrany záťaže, ktorá od nich odvodzuje, a zákon Lorentzovej sily, opisujú, ako elektrické náboje interagujú z klasického hľadiska (bez toho, aby ste zvážili fotón za mediátora).

Ak je rýchlosť častíc blízko svetla, jeho správanie sa modifikuje a je potrebné pridať k klasickej teórii niektoré relativistické korekcie, ktoré vyplývajú z teórie relativity Alberta Einsteina (relativistická elektrodynamika).

A keď je rozsah javov na štúdium atómovým alebo menším meradlom, kvantové efekty získavajú relevantnosť, čo vedie k vzniku kvantová elektrodynamika.

Matematické základy elektrodynamiky

Matematika potrebná na štúdium elektrodynamiky sú výpočet vektorovej algebry a vektorov, pretože elektrické a magnetické polia sú entitami vektorovej povahy. Zúčastňujú sa aj skalárne polia, napríklad elektrický potenciál a magnetický tok.

Môže vám slúžiť: geometrická optika: aké štúdie, zákony, aplikácie, cvičenia

Matematickí operátori pre tých, ktorí sú odvodení z vektorových funkcií, sú:

• Gradient.
• Odchýlka.
• Rotačný.
• Laplaciano.

Súradnicové systémy sú potrebné na rozlíšenie Maxwell. Okrem karteziánskych súradníc je používanie valcových súradníc a sférických súradníc časté.

V integrácii sa objavujú vety zelených, Stokes a Divergence Terem.

Nakoniec existuje funkcia s názvom Dirac Delta, ktorý je definovaný svojimi vlastnosťami a je veľmi užitočný na vyjadrenie distribúcie nabíjania obmedzené na určitú dimenziu, napríklad lineárne, povrchové rozdelenie, bod alebo rovinu.

Elektromagnetické vlny

Pôvod elektromagnetických vĺn je v elektrickom zaťažení, ktorého pohyb je zrýchlený. Variabilný elektrický prúd v čase, produkuje elektrické pole, opísané vektorovou funkciou A (x, y, z, t) a zase vytvára magnetické pole B (X, y, z, t).

Tieto polia sú kombinované tak, aby tvorili elektromagnetické pole, v ktorom elektrické pole pochádza z magnetického poľa a naopak.

Elektrodynamické zákony

Ak sú elektrické náboje statické, medzi nimi existuje elektrostatická príťažlivosť alebo odpor, zatiaľ čo magnetická interakcia vzniká z pohybu zaťaženia.

Štyri rovnice Maxwella sa týkajú každého z polí s ich zdrojom a spolu so silou Lorentz tvoria teoretický základ elektrodynamiky.

Pamätná tabuľa s Maxwellovými rovnicami (pokiaľ ide o diferenciálnych operátorov), ktorá je súčasťou sochy postaveného v meste Edinburgh na počesť škótskeho fyzika. Zdroj: Wikimedia Commons.

Zákon

Prietok elektrického poľa, ktorý vychádza z objemu uzavretého povrchom S, je úmerný čistým zaťažením v ňom:

Kde dDo Je to oblasť oblasti a klimatizovať Je to elektrostatická konštanta. Tento zákon je dôsledkom zákona Coulomb pre silu medzi elektrickými poplatkami.

Gaussov zákon magnetizmu

Prietok magnetického poľa cez objem vymedzený uzavretým povrchom S je nulová, pretože magnetické monopoly neexistujú.

V dôsledku toho, pokiaľ je magnet obmedzený v rámci objemu vymedzeného S, počet línií polí na S sa rovná počtu riadkov, ktoré vyjdú:

Môže vám slúžiť: páková ruka

Faradayov zákon

Michael Faraday zistil, že relatívny pohyb medzi uzavretým kovovým spázom C a magnetom generuje indukovaný prúd. Indukované napätie (elektromotívna sila) ε_indiánsky, S týmto prúdom je úmerný dočasnému derivátu magnetického toku φ_B To prekračuje oblasť vymedzenú La Espira:

Menšie znamenie je Lenzov zákon, ktorý naznačuje, že indukované napätie je proti zmene toku, ktorá ho produkuje. Indukovaná elektromotorická sila je však integrálnou linkou elektrického poľa pozdĺž uzavretej cesty C, preto:

Ampere-maxwell zákon

Cirkulácia magnetického poľa na krivke C je úmerná celkovému prúdu, ktorý obklopuje krivku. Existujú k tomu dva príspevky: vodivého prúdu I a posuvného prúdu vznikajúcich variáciou v čase elektrického toku φ_A:

Kde μ_ani a ε_ani Sú konštantné, prvé je Vákuová priepustnosť A druhý Elektrické miesto.

Lorentzov zákon

Maxwellove rovnice opisujú vzťah medzi A, B a ich príslušné zdroje, ale dynamika elektrického náboja je opísaná Lorentovým zákonom alebo Lorentovým zákonom.

Poukazuje na to, že celková sila, ktorá koná na základe bremena Otázka ktorá sa pohybuje rýchlosťou vložka Uprostred elektrického poľa A a magnetické pole B (nevyrába Otázka) je daný:

F = qA + Otázkavložka X B

Elektrodynamické aplikácie

Objednané pohyblivé zaťaženie predstavuje elektrický prúd, ktorý je schopný generovať energiu na vykonávanie užitočnej práce: žiarovky, pohybové motory, v krátkom čase, spustite početné zariadenia.

Distribúcia elektrickej energie

Elektrodynamika umožňuje prenos elektriny prostredníctvom striedavého prúdu zo vzdialených miest, kde sa energia transformuje a vytvára, na mestá, priemyselné odvetvia a domácnosti.

elektronika

Elektrodynamika, ktorá má ako svoj cieľ štúdium pohyblivého zaťaženia, je fyzický základ elektroniky, ktorý sa zaoberá navrhovacími zariadeniami, ktoré prostredníctvom elektronických obvodov využívajú tok elektrického zaťaženia na generovanie, vysielanie, prijímanie, prijímanie a skladovanie elektromagnetických signálov obsahovať.

Odkazy

1. Cosenza, m. Elektromagnetizmus. University of Andes.
2. Díaz, R. Elektrodynamika: poznámky triedy. Kolumská národná univerzita.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a inžinierstvo. Zväzok 6. Elektromagnetizmus. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klasická voliteľnánamika. Tretí. Edimatizovať. Mravný.
5. Tarazona, C. Úvod do elektrodynamiky. Redakčná univerzita Manuela Beltrán.