The elektrodynamika Je to obor fyziky, který se zabývá vším, co souvisí s pohybem elektrických nábojů. Popište časový vývoj množiny N částic s hmotným a elektrickým nábojem, o nichž je známa jejich počáteční poloha a rychlost..
Pokud se jedná o velkou sadu částic s hybnost malý, jeho pohyb a interakce, které mezi nimi probíhají, jsou popsány makroskopicky pomocí klasické elektrodynamiky, která využívá Newtonovy pohybové zákony a Maxwellovy zákony.
A pokud je hybnost částic velká a počet částic malý, je třeba vzít v úvahu relativistické a kvantové efekty..
Přidání relativistických a kvantových efektů ke studiu systému závisí na energii fotonů zapojených během interakce. Fotony jsou částice bez náboje nebo hmoty (pro praktické účely), které se vyměňují vždy, když dojde k elektrické přitažlivosti nebo odpuzování.
Pokud je hybnost fotonů malá, ve srovnání s hybností systému postačuje klasický popis k získání charakterizace tohoto.
Rejstřík článků
Zákony, které popisují dynamiku nabitých částic, byly objeveny mezi koncem 18. století a polovinou 19. století, kdy se objevil koncept elektrického proudu, jako výsledek experimentální a teoretické práce mnoha vědců..
Italský fyzik Alessandro Volta (1745-1827) vytvořil první galvanickou hromadu na úsvitu 19. století. Tím získal stejnosměrný proud, jehož účinky se začaly okamžitě studovat.
Souvislost mezi elektrickými náboji v pohybu a magnetismem byla odhalena experimenty fyzika Hanse Christiana Oersteda (1777-1851) v roce 1820. Bylo u nich pozorováno, že elektrický proud dokáže pohybovat jehlou kompasu stejným způsobem jako magnety.
Byl to André Marie Ampere (1775-1836), kdo v matematické podobě vytvořil spojení mezi proudem a magnetismem prostřednictvím zákona, který nese jeho jméno.
Georg Simon Ohm (1789-1854) současně kvantitativně studoval způsob, jakým materiály vedou elektřinu. Rovněž vyvinul koncept elektrického odporu a jeho vztahu k napětí a proudu prostřednictvím Ohmova zákona pro obvody.
Michael Faraday (1791-1867) našel způsob, jak generovat proud prostřednictvím relativního pohybu mezi zdrojem magnetického pole a uzavřeným obvodem.
O nějaký čas později vytvořil fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879) teorii elektromagnetismu, která sjednotila všechny objevené zákony a vysvětlila jevy známé do té doby.
Kromě toho Maxwell prostřednictvím svých rovnic předpovídal několik účinků, které byly později potvrzeny. Například když Heinrich Hertz (1857-1894), objevitel rádiových vln, ověřil, že se pohybují rychlostí světla.
S příchodem teorie relativity, na začátku 20. století, bylo možné vysvětlit chování částic rychlostí blízkou rychlosti světla, zatímco kvantová mechanika vylepšila elektrodynamiku zavedením pojmu spin a tím vysvětlením původu magnetismu v hmotě.
Elektrodynamika je založena na čtyřech zákonech, které jsou samostatně známé jako: Coulombův zákon, Gaussův zákon, Ampérův zákon a Faradayův zákon..
Tyto čtyři zákony, plus princip zachování náboje, který je z nich odvozen a zákon Lorentzovy síly, popisují, jak elektrické náboje interagují z klasického hlediska (bez uvažování fotonu jako prostředníka).
Pokud se rychlost částic blíží rychlosti světla, změní se jejich chování a je nutné přidat ke klasické teorii relativistické korekce, které jsou odvozeny z teorie relativity Alberta Einsteina (relativistická elektrodynamika).
A když je rozsah studovaných jevů atomový nebo menší, získávají kvantové efekty na významu, což vede k kvantová elektrodynamika.
Matematikou nezbytnou pro studium elektrodynamiky jsou vektorová algebra a vektorový počet, protože elektrická a magnetická pole jsou entitami vektorové povahy. Podílejí se také skalární pole, jako je elektrický potenciál a magnetický tok.
Matematické operátory pro derivace vektorových funkcí jsou:
K řešení Maxwellových rovnic jsou vyžadovány souřadnicové systémy. Kromě kartézských souřadnic je běžné použití válcových souřadnic a sférických souřadnic..
V integraci se objevují věty o Greenovi, Stokesovi a teorémě o divergenci.
Nakonec existuje funkce s názvem Diracova delta, který je definován svými vlastnostmi a je velmi užitečný k vyjádření rozložení zatížení omezeného na určitou dimenzi, například lineární, povrchové rozložení, bod nebo rovinu.
Původ elektromagnetických vln spočívá v elektrických nábojích, jejichž pohyb se zrychluje. Časově proměnný elektrický proud vytváří elektrické pole, popsané vektorovou funkcí A(x, y, z, t) a zase vytváří magnetické pole B (x, y, z, t).
Tato pole se spojují a vytvářejí elektromagnetické pole, ve kterém elektrické pole vytváří magnetické pole a naopak..
Když jsou elektrické náboje statické, dochází mezi nimi k elektrostatické přitažlivosti nebo odpuzování, zatímco magnetická interakce vzniká pohybem nábojů..
Čtyři Maxwellovy rovnice vztahují každé z polí k jejich zdroji a společně s Lorentzovou silou tvoří teoretický základ elektrodynamiky..
Tok elektrického pole, který opouští objem uzavřený uzavřenou plochou S, je úměrný síťovému náboji v něm uzavřenému:
Kde dNA je plošný rozdíl a k je elektrostatická konstanta. Tento zákon je důsledkem Coulombova zákona pro sílu mezi elektrickými náboji.
Tok magnetického pole objemem ohraničeným uzavřeným povrchem S je nulový, protože magnetické monopoly neexistují.
V důsledku toho, kdykoli je magnet uzavřen v objemu vymezeném S, počet polních řádků vstupujících do S se rovná počtu opouštějících řádků:
Michael Faraday objevil, že relativní pohyb mezi uzavřenou kovovou smyčkou C a magnetem generuje indukovaný proud. Indukované napětí (elektromotorická síla) εind, spojený s tímto proudem, je úměrný časové derivaci magnetického toku ΦB která protíná oblast ohraničenou smyčkou:
Znaménko mínus je Lenzův zákon, který říká, že indukované napětí je proti změně toku, který jej vytváří. Indukovaná elektromotorická síla je však přímkou integrálního elektrického pole podél uzavřené dráhy C, proto:
Cirkulace magnetického pole na křivce C je úměrná celkovému proudu, který křivka obklopuje. Existují dva příspěvky: vodivý proud I a posuvný proud způsobený časovou změnou elektrického toku ΦA:
Kde μnebo a εnebo jsou konstantní, první je vakuová propustnost a druhý elektrická permitivita vakua.
Maxwellovy rovnice popisují vztah mezi A, B a jejich příslušné zdroje, ale dynamika elektrického náboje je popsána Lorentzovým zákonem nebo Lorentzovou silou.
Poukazuje na to, že celková síla působící na zatížení co který se pohybuje rychlostí proti uprostřed elektrického pole A a magnetické pole B (nevyrábí co) darováno:
F = qA + coproti X B
Náboje v řádném pohybu představují elektrický proud, který je schopen generovat energii pro užitečnou práci: osvětlení žárovek, pohyblivé motory, zkrátka spouštění mnoha zařízení..
Elektrodynamika umožňuje přenos elektrické energie střídavým proudem ze vzdálených míst, kde se energie transformuje a generuje, do měst, průmyslu a domů.
Tím, že se zaměřuje na studium nábojů v pohybu, je elektrodynamika fyzickým základem elektroniky, která se zabývá návrhem zařízení, která prostřednictvím elektronických obvodů využívají tok elektrických nábojů ke generování, přenosu, přijímání a ukládání elektromagnetických signálů obsahujících informace.
Zatím žádné komentáře