Elektrodynamik

Wir erklären, was die Elektrodynamik, seine Geschichte, Stiftungen, Hauptgesetze und Anwendungen ist

Was ist Elektrodynamik?

Der Elektrodynamik Es ist der Zweig der Physik, der alles in Verbindung mit der Bewegung elektrischer Gebühren bezieht. Beschreiben Sie, was die Entwicklung in der Zeit einer Reihe von N -Partikeln mit Masse und elektrischer Ladung ist, von denen seine anfängliche Position und Geschwindigkeit bekannt ist.

Wenn es sich um eine große Gruppe von Partikeln mit handelt Schwung Klein, ihre Bewegung und die Wechselwirkungen, die zwischen ihnen stattfinden.

Und wenn der Partikelimpuls groß ist und die Anzahl der Partikel gering ist, müssen die relativistischen und quantenwirtschaftlichen Effekte berücksichtigt werden.

Fügen Sie der Untersuchung des Systems die relativistische und Quanteneffekte hinzu. Photonen sind Partikel ohne Last oder Masse (für praktische Zwecke), die ausgetauscht werden, wenn es eine Anziehung oder eine elektrische Abstoßung gibt.

Wenn der Impuls der Photonen im Vergleich zum Impuls des Systems klein ist, reicht die klassische Beschreibung aus, um die Charakterisierung dieser zu erhalten.

Kurzer Elektrodynamikgeschichte

Die Gesetze, die die Dynamik geladener Partikel beschreiben, wurden zwischen dem Ende des 18. und mit der Mitte des Jahrhunderts entdeckt, als das Konzept des elektrischen Stroms aufgrund der experimentellen und theoretischen Arbeit vieler Wissenschaftler entsteht.

Der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) stellte den ersten Volta-Stapel zu Beginn des 19. Jahrhunderts her. Damit erhielt er einen kontinuierlichen Strom, dessen Auswirkungen sofort untersucht wurden.

Alessandro Volta Illustration

Der Zusammenhang zwischen beweglichen elektrischen Ladungen und Magnetismus wurde mit den Experimenten des Physiker Hans Christian Oersted (1777-1851) im Jahr 1820 offenbart. In ihnen wurde beobachtet, dass ein elektrischer Strom die Kompassnadel auf die gleiche Weise wie die Magnete bewegen konnte.

Es war André Marie Ampere (1775-1836), der sich durch das Gesetz, das seinen Namen trägt.

Gleichzeitig untersuchte Georg Simon Ohm (1789-1854) quantitativ so, wie die Materialien Strom leiten. Er entwickelte auch das Konzept des elektrischen Widerstands und seine Beziehung zu Spannung und Strom durch Ohmsche Gesetze für Schaltungen.

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Michael Faraday (1791-1867) fand einen Weg, um einen Strom durch die relative Bewegung zwischen der Magnetfeldquelle und einem geschlossenen Stromkreis zu erzeugen.

Einige Zeit später schuf der Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) eine Theorie für Elektromagnetismus, die alle entdeckten Gesetze einigte und die bis dahin bekannten Phänomene erklärte.

Darüber hinaus prognostizierte Maxwell durch seine Gleichungen mehrere Effekte, die später bestätigt wurden. Zum Beispiel, als Heinrich Hertz (1857-1894), Entdecker von Funkwellen, überprüfte, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegten.

Mit dem Aufkommen der Relativitätstheorie zu Beginn des 20. Jahrhunderts war es möglich, das Verhalten von Partikeln mit Geschwindigkeiten nahe dem Licht zu erklären. In der Zwischenzeit raffinierte Quantenmechanik die Elektrodynamik, indem sie das Konzept des Spins einführte und den Ursprung des Magnetismus in dieser Angelegenheit erklären.

Elektrodynamik -Grundlagen

Elektrodynamik befasst sich mit dem Untersuchung beweglicher Lasten

Elektrodynamik basiert auf vier Gesetzen, die als: Coulombs Gesetz, Gauß, Ampere und Faraday Law bekannt sind.

Diese vier Gesetze sowie das Prinzip der Erhaltung der Last, die sich aus ihnen und dem Gesetz der Kraft von Lorentz ergibt, beschreiben, wie elektrische Gebühren aus klassischer Sicht interagieren (ohne das Photon als Vermittler zu betrachten).

Wenn die Geschwindigkeit der Partikel nahe an Licht liegt, wird sein Verhalten modifiziert und es ist notwendig, die klassische Theorie einige relativistische Korrekturen zu erhöhen, die sich aus der Theorie der Relativitätstheorie von Albert Einstein ergeben (Relativistische Elektrodynamik).

Und wenn das Umfang der zu untersuchenden Phänomene der atomarische oder kleinere Maßstab ist, erwerben die Quanteneffekte Relevanz und führen zu dem zu Quantenelektrodynamik.

Mathematische Grundlagen der Elektrodynamik

Die für die Untersuchung der Elektrodynamik erforderliche Mathematik sind vektorielle Algebra- und Vektorberechnung, da die elektrischen und magnetischen Felder Einheiten von Vektor Natur sind. Skalare Felder nehmen ebenfalls teil, wie z. B. elektrisches Potential und magnetischer Fluss.

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Mathematische Operatoren für diejenigen, die von Vektorfunktionen abgeleitet sind, sind:

• Gradient.
• Abweichungen.
• Rotation.
• Laplaciano.

Koordinatensysteme sind für die Auflösung von Maxwell erforderlich. Zusätzlich zu kartesischen Koordinaten ist die Verwendung zylindrischer Koordinaten und sphärischer Koordinaten häufig.

In der Integration erscheinen die Theoreme von Grün, Stokes und dem Divergenzsatz.

Schließlich gibt es eine Funktion namens namens Dirac Delta, Dies wird durch seine Eigenschaften definiert und ist sehr nützlich, um Ladeverteilungen aus einer bestimmten Dimension auszudrücken, beispielsweise eine lineare, oberflächliche Verteilung, ein Punkt oder eine Ebene.

Elektromagnetische Wellen

Der Ursprung elektromagnetischer Wellen besteht in elektrischen Lasten, deren Bewegung beschleunigt wird. Ein variabler elektrischer Strom zeitlich erzeugt ein elektrisches Feld, das von der Vektorfunktion beschrieben wird UND (x, y, z, t) und erzeugt wiederum ein Magnetfeld B (X, y, z, t).

Diese Felder werden kombiniert, um das elektromagnetische Feld zu bilden, in dem das elektrische Feld vom Magnetfeld stammt und umgekehrt.

Elektrodynamische Gesetze

Wenn elektrische Ladungen statisch sind, gibt es eine elektrostatische Anziehung oder Abstoßung, während die magnetische Wechselwirkung aus der Bewegung von Lasten ergibt.

Die vier Gleichungen von Maxwell beziehen sich auf jede der Felder auf ihre Quelle und bilden zusammen mit Lorentz 'Stärke die theoretische Grundlage der Elektrodynamik.

Gedenkplaque mit Maxwells Gleichungen (in Bezug auf Differentialbetreiber), die Teil der in der Stadt Edinburgh errichteten Statue zu Ehren des schottischen Physikers ist. Quelle: Wikimedia Commons.

Gaußgesetz

Der elektrische Feldfluss, der aus einem von der geschlossenen Oberfläche eingeschlossenen Volumen entsteht, ist proportional zur darin enthaltenen Nettobelastung:

Wo DZU Es ist ein Bereich Differential und k Es ist die elektrostatische Konstante. Dieses Gesetz ist eine Folge des Coulomb -Gesetzes für Gewalt zwischen elektrischen Anklagen.

Gaußsgesetz des Magnetismus

Der Magnetfeldfluss durch ein Volumen, das durch eine geschlossene Oberfläche S null ist, da keine magnetischen Monopole vorhanden sind.

Solange ein Magnet innerhalb eines durch s begrenzten Volumens eingesperrt ist, entspricht die Anzahl der Feldlinien zu S der Anzahl der herausgebenden Linien:

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Faraday -Gesetz

Michael Faraday entdeckte, dass die relative Bewegung zwischen einer geschlossenen Metallspaltung C und einem Magneten einen induzierten Strom erzeugt. Die induzierte Spannung (elektromotive Kraft) ε_Ind, Mit diesem Strom ist er proportional zum temporären Ableitungen des magnetischen Flusses φ ist_B Das überquert das Gebiet, das von La Espira abgegrenzt wurde:

Das weniger Zeichen ist das Lenz -Gesetz, das angibt, dass die induzierte Spannung der Änderung des Flusses widerspricht, die sie erzeugt. Die induzierte elektromotorische Kraft ist jedoch die integrale Linie des elektrischen Feldes entlang der geschlossenen Straße C, deshalb:

Ampere-Maxwell-Gesetz

Die Zirkulation des Magnetfelds auf einer C -Kurve ist proportional zum Gesamtstrom, der die Kurve umschließt. Es gibt zwei Beiträge dazu: den Leitungsstrom i und der Verschiebungsstrom entstanden durch die Variation in der Zeit des elektrischen Flusses φ_UND:

Wo μ_entweder und ε_entweder Sie sind konstant, der erste ist das Vakuumpermeabilität und der zweite der der Elektrische Possivität.

Lorentz Law

Maxwells Gleichungen beschreiben die Beziehung zwischen UND, B und ihre jeweiligen Quellen, aber die Dynamik einer elektrischen Ladung wird durch Lorentz 'Gesetz oder Lorentz' Gesetz beschrieben.

Sie weist darauf hin, dass die Gesamtkraft, die auf eine Belastung wirkt Q Das bewegt sich mit Geschwindigkeit v In der Mitte eines elektrischen Feldes UND und ein Magnetfeld B (nicht produziert von Q) wird gegeben durch:

F = qUND + Qv X B

Elektrodynamische Anwendungen

Bestellte Bewegungslasten bilden einen elektrischen Strom, der Energie erzeugen kann, um nützliche Arbeiten zu erzeugen: Glühbirnen, Kurz gesagt, starten Sie zahlreiche Geräte.

Elektrische Leistungsverteilung

Elektrodynamik ermöglicht die Übertragung von Strom durch abwechselnde Strom von entfernten Orten, an denen Energie verwandelt und erzeugt wird, auf Städte, Industrien und Haushalte.

Elektronik

Als Ziel ist die Untersuchung der sich bewegenden Belastungen und ist die physikalische Grundlage der Elektronik, die sich mit dem Entwurf von Geräten befasst Informationen enthalten.

Verweise

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