ВходЧто изучает электродинамика в физике. Основные формулы электродинамики. Контрольные вопросы к зачету
Электродинамика … Орфографический словарь-справочник
Классическая, теория (неквантовая) поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрич. зарядами (электромагнитное взаимодействие). Законы классич. макроскопич. Э. сформулированы в Максвелла уравнениях, к рые позволяют … Физическая энциклопедия
- (от слова электричество, и греч. dinamis сила). Часть физики, трактующая о действии электрических токов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА от слова электричество, и греч. dynamis, сила … Словарь иностранных слов русского языка
Современная энциклопедия
Электродинамика - классическая, теория неквантовых электромагнитных процессов, в которых основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами в различных средах и в вакууме. Становлению электродинамики предшествовали труды Ш. Кулона, Ж. Био, Ф. Савара,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Классическая теория электромагнитных процессов в различных средах и в вакууме. Охватывает огромную совокупность явлений, в которых основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами, осуществляемые посредством электромагнитного поля … Большой Энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, в физике область, изучающая взаимодействие между электрическим и магнитным полями и заряженными телами. Начало этой дисциплине положил в XIX в. своими теоретическими трудами Джеймс МАКСВЕЛЛ, впоследствии она стала частью… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, электродинамики, мн. нет, жен. (см. электричество и динамика) (физ.). Отдел физики, изучающий свойства электрического тока, электричества в движении; ант. электростатика. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, и, ж. (спец.). Теория электромагнитных процессов в различных средах и в вакууме. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Сущ., кол во синонимов: 2 динамика (18) физика (55) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
электродинамика - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN electrodynamics … Справочник технического переводчика
Книги
- Электродинамика , А. Е. Иванов. Настоящее учебное пособие является самодостаточным: в нем излагаются лекции, которые в течение ряда лет читались доцентом специализированного учебно-научного центра МГТУ им. Н. Э. Баумана…
- Электродинамика , Сергей Анатольевич Иванов. …
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.
Электромагнитное поле - определяется движением и взаимодействием заряженных частиц.
Проявление эл/магнитного поля
- это действие эл/магнитных сил:
1) силы трения и силы упругости в макромире;
2) действие эл/магнитных сил в микромире (строение атома, сцепление атомов в молекулы,
превращение элементарных частиц)
Открытие эл/магнитного поля - Дж. Максвелл.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.
Элементарные частицы
могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;
- взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами,
но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется
электромагнитным).
Эл. заряд
- физич. величина, определяет интенсивность эл/магнитных взаимодействий.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.
Элементарный заряд
- минимальный заряд, разделить который невозможно.
Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе?
- в состав всех тел входят заряженные частицы.
В обычном состоянии тела эл. нейтральны (т.к. атом нейтрален), и эл/магн. силы не проявляются.
Тело заряжено
, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.
Электризация тел
- это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).
При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.
Закон сохранения электрического заряда.
В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
(... но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).
Замкнутая система
Система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.
Закон Кулона
Основной закон электростатики.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна
произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Когдатела считаются точечными
? - если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.
Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.
Единица электрического заряда
1 Кл - заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
1 Кл - очень большой заряд.
Элементарный заряд:
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Существует вокруг электрического заряда, материально.
Основное свойство электрического поля: действие с силой на эл.заряд, внесенный в него.
Электростатическое поле - поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем.
Напряженность электрического поля.
- количественная характеристика эл. поля.
- это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда.
- не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!
Направление вектора напряженности
совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
Напряженность поля точечного заряда:
где q0 - заряд, создающий электрическое поле.
В любой точке поля напряженность направлена всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и q0.
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ
Характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.
- не зависит от q и U.
- зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.
Единицы измерения в СИ: (Ф - фарад)
КОНДЕНСАТОРЫ
Электротехническое устройство, накапливающее заряд
(два проводника, разделенных слоем диэлектрика).
Где d много меньше размеров проводника.
Обозначение на электрических схемах:
Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.
Виды конденсаторов:
1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические
2. по форме обкладок: плоские, сферические.
3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).
Электроемкость плоского конденсатора
где S - площадь пластины (обкладки) конденсатора
d - расстояние между пластинами
eо - электрическая постоянная
e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика
Включение конденсаторов в электрическую цепь
параллельное
последовательное
Тогда общая электроемкость (С):
при параллельном включении
. 
при последовательном включении
АКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрический ток
- упорядоченное движение заряженных частиц (свободных электронов или ионов).
При этом через поперечное сечение проводника перносится эл. заряд (при тепловом движении заряженных частиц суммарный перенесенный эл. зпряд = 0, т.к. положительные и отрицательные заряды компенсируются).
Направление эл. тока - условно принято считать направление движения положительно заряженных частиц (от + к -).
Действия эл. тока (в проводнике):
тепловое действие тока - нагревание проводника (кроме сверхпроводников);
химическое действие тока - проявляется только у электролитов, На электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита;
магнитное действие тока (основное) - наблюдается у всех проводников (отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током и силовое действие тока на соседние проводники посредством магнитного поля).
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
где , R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи).
Для каждого проводника существует своя определенная вольт-амперная характеристика.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
Основная электрическая характеристика проводника.
- по закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.
1 Ом - это сопротивление проводника с разностью потенциалов на его концах
в 1 В и силой тока в нем 1 А.
Сопротивление зависит только от свойств проводника:
где S - площадь поперечного сечения проводника, l - длина проводника,
ро - удельное сопротивление, характеризующее свойства вещества проводника.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Состоят из источника, потребителя электрического тока, проводов, выключателя.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
I - сила тока в цепи
U - напряжение на концах участка цепи
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
I - сила тока в неразветвленном участке цепи
U - напряжение на концах участка цепи
R - полное сопротивление участка цепи
Вспомни, как подключаются измерительные приборы:
Амперметр - включается последовательно с проводником, в котором измеряется сила тока.
Вольтметр - подключается параллельно проводнику, на котором измеряется напряжение.
АБОТА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.
Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:
По закону сохранения энергии:
Работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.
В системе СИ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.
В системе СИ:
Явление сверхпроводимости
Открытие низкотемпературной сверхпроводимости:
1911г. - голландский ученый Камерлинг - Оннес
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;
при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.
В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости:
Купер (США), Боголюбов (СССР)
1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.
В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества
Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.
В настоящий момент в энергетикесуществует большая проблема
- большие потери электроэнергии при передаче
ее по проводам.
Возможное решение
проблемы:
при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0
и потери энергии резко уменьшаются.
Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости
В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди – Тl2Са2Ва2Сu3Оx.
Полупроводник -
Вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Механизм проводимости у полупроводников
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
Что такое вакуум?
- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;
Электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия
- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.
Вакуумный диод
Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.
Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление
Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.
Вольтамперная характеристика вакуумного диода.
При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.
Ток на входе диодного выпрямителя:
Ток на выходе выпрямителя:
Электронные пучки
Это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
Отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров);
- нагревают вещество, попадая на него.
Электронно - лучевая трубка (ЭЛТ)
Используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих
пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).
Основное применение ЭЛТ:
кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.
Ионизация газа
Это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.
Газовый разряд
Это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.
Рекомбинация заряженных частиц
- газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).
Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.
Несамостоятельный газовый разряд
Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд.
Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.
Самостоятельный газовый разряд
В этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.
Электрический пробой газа
Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.
Самостоятельный газовый разряд бывает4-х типов:
1. тлеющий - при низких давлениях(до нескольких мм рт.ст.) -наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах.
2. искровой - при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).
3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие).
4. дуговой - большая плотность тока, малое напряжение между электродами (температура газа в канале дуги -5000-6000 градусов Цельсия); наблюдается в прожекторах, проекционной киноаппаратуре.
Эти разряды наблюдаются:
тлеющий - в лампах дневного света;
искровой - в молниях;
коронный - в электрофильтрах, при утечке энергии;
дуговой - при сварке, в ртутных лампах.
Плазма
Это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера - слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма - в газоразрядных лампах.
Плазма бывает:
Низкотемпературная - при температурах меньше 100 000К;
высокотемпературная - при температурах больше 100 000К.
Основные свойства плазмы:
Высокая электропроводность
- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.
При температуре
любое вещество находится в состоянии плазмы.
Интересно, что 99% вещества во Вселенной - плазма
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ
Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, изучающие основные переменные электромагнитного поля, и их взаимодействие.
Классическая электродинамика описывает все свойства электромагнитного поля и принципы его взаимосвязи с другими физическими элементами, которые несут определенный электрический заряд. Это действие можно определить посредством уравнений Максвелла, и выражения мощности Лоренца. При этом всегда применяются такие главные понятия электродинамики как: электромагнитное поле, электромагнитный потенциал, электрический заряд и вектор Пойнтинга.
К основным разделам указанного направления в физике относят:
- магнитостатику;
- электростатику;
- электродинамику сплошной среды.
Основой для оптики, как раздела науки, выступает электродинамика в виде физики радиоволн. Это научное направление считается фундаментом для электротехники и радиотехники.
Электрический заряд
Электромагнитные взаимосвязи относятся к числу самых важных действий в природе. Силы их упругости и трения, давление газа и жидкости можно свести к единому показателю электромагнитной силы между элементами вещества. Сами взаимодействия в электродинамике уже не могут образоваться в более глубоких формах взаимодействий.
Замечание 1
Таким же фундаментальным видом взаимодополнения является тяготение - гравитационное и постоянное притяжение двух физических тел.
Однако между гравитационными процессами и электромагнитными можно наблюдать несколько важных отличий:
- принимать участие в электромагнитных взаимодействиях могут только заряженные тела;
- гравитационная связь- это всегда систематическое притяжение одного тела к другому;
- электромагнитные взаимосвязи могут быть как отталкиванием, так и притяжением;
- взаимодействие в электродинамике гораздо интенсивнее гравитационного;
- каждое заряженное тело имеет определенную величину электрического заряда.
Определение 2
Электрический заряд - это конкретная физическая величина, которая более точно определяет силу электромагнитного взаимодействия между природой и объектам, единицей измерения которой является кулон (Кл)1.
Электрическое поле
Теория близкодействия одержала верх над ранее предложенными гипотезами ученых, в результате чего основным объектом, полноценно передающим взаимодействие между зарядами даже сквозь вакуум, оказалось электромагнитное поле. Решающими в данной сфере стали труды и работы двух известных ученых $XIX$ столетия - Фарадея и Максвелла. Физики смогли открыть принцип работы электрического поля с помощью экспериментальных подтверждений своих утверждений.
Неподвижные заряды не могут образовывать магнитное поля, следовательно, в этом аспекте необходимо говорить только о свойствах самого электрическом поле.
Итак, главными характеристиками поля в электродинамике являются:
- электрический заряд может создавать мощное поле вокруг себя;
- электродинамика не нуждается в какой-то конкретной среде и может возникать в веществе и в вакууме, является хорошей альтернативной формой существования всей материи;
- электрическое поле является первичным физическим объектом, которое устанавливает законы поведения динамики процессов в электрической цепи.
Источниками электрического поля считают постоянные электрические заряды, а индикатором для исследования данного явления выступает так называемый пробный заряд. По действию этого вещества можно судить о наличии электрического поля в определенном пространстве. Кроме того, посредством пробного заряда можно определить величину поля в различных сферах его взаимодействия. Естественно, данный элемент в электродинамике должен быть точечным и постоянным.
По мнению ученых, сила, оказывающая влияние на пробный заряд в электрическом поле, абсолютно пропорционально величине общего заряда. Поэтому соотношение интенсивности к потоку энергии уже не зависит от показателя заряда и является одним из свойств поля.
Напряжённость электрического поля представляет собой взаимосвязь вектора силы $\vec {F}$, с которой электромагнитное поле действует на пробный заряд $q$, к самому пробному заряду: ${{\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}.}$
Напряжение веществ в поле считается векторной величиной, где в каждой точке пространства находится определенный коэффициент пробного элемента. Поле является заданным, если можно определит зависимость указанного вектора напряжённости от заданных координат точки и от времени.
Замечание 2
Как следует из данного определения, напряжённость принято измерять в Н/кл, однако на сегодняшний день возможно исследовать только свойства этого процесса.
Проводники в электрическом поле
Электрический ток можно легко получить, если полюса батарейки замкнуть металлической проволокой, а если заменить проволоку обычной стеклянной палочкой - никакого тока не возникнет. Металл является основным проводником, а стекло выступает в роли диэлектрика.
Проводники в электродинамике отличаются от диэлектриков отсутствием лишних зарядов, заряженных элементов, положение которых никак не связано с точкой внутри самого вещества. Свободные заряды начинают активно взаимодействовать под влиянием электрического поля и могут двигаться по всему объему проводника.
Определение 3
Проводники - это в первую очередь металлы, в которых абсолютно свободными зарядами считаются только свободные электроны, которые вытекают из особенностей процесса металлической связи.
Дело в том, что валентный постоянный электрон, который расположен на электронной внешней оболочке атома металла, достаточно слабо связан с атомным ядром. При взаимосвязи атомов металла их валентные частицы остаются без оболочки, и «отправляются в свободное плавание».
Проводниками в электрическом поле выступают и электролиты, представляющие собой растворы и расплавы, свободные нано-заряды, в которых проявляется диссоциация молекул на положительные и отрицательные ионы. Если вы бросите в стакан обычной воды щепотку поваренной соли, тогда молекулы $NaCl$ постепенно распадаются на положительные ионы $Na^+$ и $Cl^−$. Под воздействием электрического поля эти показатели начнут образовывать упорядоченное движение, в результате чего возникнет электрический ток.
Природная вода выступает хорошим проводником благодаря наличию растворенных в ней солей, но не таким хорошим, как металлы. Все знают, что тело человека в основным состоит из воды, в которой также растворены определенные элементы соли. Поэтому наше тело также выступает в роли проводника электрического тока.
Стоит отметить, что благодаря наличию огромного количества свободных зарядов, которые способны перемещаться по всему пространственному объему, проводники имеют некоторые характерные общие свойствами.
Электромеханическая аналогия
Между индуктивностью $L$ в электродинамике и массой $m$ в механике нетрудно заметить определенную аналогию. Известно, что для полноценного разгона тела до определенной скорости, необходимо потратить некоторое время, так как мгновенно изменить скорость физического тела невозможно.
При неизменной интенсивности, которая приложена к телу, это время будет напрямую зависеть от массы $m$ тела. Чтобы ток в катушке смог достичь своего максимального значения, требуется время для установления индуктивности индуктивность $L$ катушки.
Скорость тела будет автоматически уменьшаться, если вещества в электрическом поле будут налетать на неподвижную стену. Стена принимает на себя весь удар, и его разрушительная сила тем сильнее, чем больше масса самого тела. На самом деле все электромеханические аналогии простираются достаточно далеко и имеют отношение не только к индуктивности и массы, но и других показателей, отказывающимися крайне полезными на практике.
Осознание единства и постоянства электрической и магнитной взаимосвязи стало первым подтвержденным примером теории объединения физических взаимодействий. На сегодняшний день доказано, что электродинамика и слабое взаимодействия при высоких энергиях объединяются в едином процессе.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Электромагнитное поле - это вид материи, который проявляется во взаимодействии заряженных тел.
Электродинамика для чайников
Часто электромагнитное поле делят на электрическое и магнитное поле. Свойства электромагнитных полей, принципы их взаимодействия изучает особый раздел физики, который называют электродинамикой. В самой электродинамике выделяют следующие разделы:
- электростатику;
- магнитостатику;
- электродинамику сплошной среды;
- релятивистскую электродинамику.
Электродинамика является основой для изучения и развития оптики (как раздела науки), физики радиоволн. Этот раздел науки является фундаментом для радиотехники и электротехники.
Классическая электродинамика в описании свойств электромагнитных полей и принципов их взаимодействия использует систему уравнений Максвелла (в интегральной или дифференциальной формах), дополняя ее системой материальных уравнений, граничными и начальными условиями. Согласно Максвеллу имеется два механизма возникновения магнитного поля. Это наличие токов проводимости (перемещающийся электрический заряд) и переменное во времени электрическое поле (наличие токов смещения).
Уравнения Максвелла
Основные законы классической электродинамики (система уравнений Максвелла) является результатом обобщения экспериментальных данных и стали квинтэссенцией электродинамики неподвижной среды. Уравнения Максвелла делят на структурные и материальные. Структурные уравнения записывают в двух видах: в интегральном и дифференциальном виде. Запишем уравнения Максвелла в дифференциальном виде (система СИ):
где - вектор напряженности электрического поля; - вектор магнитной индукции.
где — вектор напряженности магнитного поля; - вектор диэлектрического смещения; - вектор плотности тока.
где - плотность распределения электрического заряда.
Структурные уравнения Максвелла в дифференциальной форме характеризуют электромагнитное поле в каждой точке пространства. Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то интегральная и дифференциальная формы уравнений Максвелла эквивалентны. Однако, если имеются поверхности разрыва, то интегральная форма записи уравнений Максвелла является более общей. (Интегральную форму записи уравнений Максвелла можно посмотреть в разделе «Электродинамика»). Для достижения математической эквивалентности интегральной и дифференциальной форм уравнений Максвелла дифференциальную запись дополняют граничными условиями.
Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот, то есть эти поля неразрывны и образуют единое электромагнитное поле. Источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо переменное во времени магнитное поле. Магнитные поля возбуждаются движущимися электрическими зарядами (токами) или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не являются симметричными относительно электрического и магнитного полей. Это происходит из-за того, что электрические заряды существуют, а магнитных нет.
Материальные уравнения
Систему структурных уравнений Максвелла дополняют материальными уравнениями, которые отражают связь векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.
где - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная магнитная проницаемость, — удельная электропроводность, - электрическая постоянная, - магнитная постоянная. Среда в таком случае считается изотропной, неферромагнитной, несегнетоэлектрической.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Запишите систему структурных уравнений Максвелла для стационарных полей. |
| Решение | Если речь идет о стационарных полях, то имеется в виду, что: . Тогда система уравнений Максвелла принимает вид:
Источниками электрического поля в этом случае являются только электрические заряды. Источники магнитного поля при этом токи проводимости. В нашем случае электрическое и магнитное поля являются независимыми друг о друга. Это дает возможность исследовать отдельно постоянное электрическое и отдельно магнитное поле. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Запишите функцию плотности тока смещения в зависимости от расстояния от оси соленоида (), если магнитное поле соленоида изменяется по закону: . R - радиус соленоида. Соленоид является прямым. Рассмотрите случай, когда Нарисуйте график ). |
| Решение | В качестве основ для решения задачи используем уравнение из системы уравнений Максвелла в интегральном виде:
Определим ток смещения как:
Найдем частную производную , используя заданную зависимость B(t):
|
34. ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА?
Мы приступаем теперь к изучению нового раздела физики «Электродинамика». Само это название показывает, что речь пойдет о процессах, которые определяются движением и взаимодействием электрически заряженных частиц. Такое взаимодействие называется электромагнитным. Изучение природы этого взаимодействия приведет нас к одному из самых фундаментальных понятий физики - понятию электромагнитного поля.
Электродинамика - это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.
Среди четырех типов взаимодействий, открытых наукой,- гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых - именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных сил. Это силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных.
Электромагнитные взаимодействия позволяют видеть книгу, которую вы читаете, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без этих сил. Живые существа и даже человек, как показали полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения не оказывают никакого влияния на жизнедеятельность организмов. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь.
При взаимодействии частиц в самых малых системах природы - в атомных ядрах - и при взаимодействии космических тел электромагнитные силы играют важную роль, в то время как сильные и слабые взаимодействия определяют процессы только в очень малых масштабах, а гравитационные - только в космических. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в
молекулы (химические силы) и образование макроскопических количеств вещества определяются исключительно электромагнитными силами. Трудно, почти невозможно указать явления, которые не были бы связаны с действием электромагнитных сил.
К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая гипотезой великого английского ученого Джемса Клерка Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Лишь во второй половине XIX в., после создания электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио А. С. Поповым - одно из важнейших применений принципов новой теории.
При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.
Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на всем земном шаре. Современная цивилизация немыслима без широчайшего применения энергии электрического тока.
Наша задача состоит в изучении основных законов электромагнитных взаимодействий, а также в знакомстве с основными способами получения электрической энергии и использования ее на практике.