Det elektrodynamik Det er den fysiske gren, der beskæftiger sig med alt relateret til bevægelse af elektriske ladninger. Beskriv udviklingen i tid af et sæt N-partikler med masse og elektrisk ladning, hvis oprindelige position og hastighed er kendt..
Hvis det er et stort sæt partikler med momentum lille, dens bevægelse og interaktionerne, der finder sted mellem dem, beskrives makroskopisk gennem klassisk elektrodynamik, der gør brug af Newtons bevægelseslove og Maxwells love.
Og hvis partiklernes momentum er stort, og antallet af partikler er lille, skal de relativistiske og kvanteeffekter tages i betragtning..
Tilføjelse af relativistiske og kvanteeffekter til undersøgelsen af systemet afhænger af energien af de involverede fotoner under interaktionen. Fotoner er partikler uden ladning eller masse (til praktiske formål), der udveksles, når der er elektrisk tiltrækning eller frastødning.
Hvis fotonenes momentum er lille sammenlignet med systemets momentum, er den klassiske beskrivelse tilstrækkelig til at opnå karakteriseringen af dette.
Artikelindeks
De love, der beskriver dynamikken i ladede partikler, blev opdaget mellem slutningen af det 18. århundrede og midten af det 19. århundrede, da begrebet elektrisk strøm opstod som et resultat af mange forskers eksperimentelle og teoretiske arbejde..
Den italienske fysiker Alessandro Volta (1745-1827) lavede den første voltaiske bunke ved begyndelsen af det 19. århundrede. Med den opnåede han en jævnstrøm, hvis virkninger begyndte at blive undersøgt med det samme.
Forbindelsen mellem elektriske ladninger i bevægelse og magnetisme blev afsløret med eksperimenterne fra fysikeren Hans Christian Oersted (1777-1851) i 1820. I dem blev det observeret, at en elektrisk strøm var i stand til at bevæge kompassnålen på samme måde som magneter.
Det var André Marie Ampere (1775-1836), der i matematisk form etablerede forbindelsen mellem strøm og magnetisme gennem loven, der bærer hans navn.
Samtidig studerede Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitativt den måde, hvorpå materialer fører elektricitet. Han udviklede også begrebet elektrisk modstand og dets forhold til spænding og strøm gennem Ohms lov for kredsløb.
Michael Faraday (1791-1867) fandt en måde at generere en strøm gennem den relative bevægelse mellem kilden til magnetfeltet og et lukket kredsløb.
Nogen tid senere skabte fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) en teori for elektromagnetisme, der forenede alle de opdagede love og forklarede de fænomener, der var kendt indtil da.
Desuden forudsagde Maxwell gennem sine ligninger flere effekter, som senere blev bekræftet. Da Heinrich Hertz (1857-1894), opdageren af radiobølger, for eksempel bekræftede, at de bevægede sig med lysets hastighed.
Med fremkomsten af relativitetsteorien i begyndelsen af det 20. århundrede var det muligt at forklare partiklernes opførsel med hastigheder tæt på lysets, mens kvantemekanik raffinerede elektrodynamik ved at introducere begrebet spin og således forklare oprindelsen af magnetisme i materie.
Elektrodynamik er baseret på fire love, der er særskilt kendt som: Coulombs lov, Gauss's lov, Ampere's lov og Faradays lov..
Disse fire love plus princippet om bevarelse af ladning, der er afledt af dem og Lorentz-kraftloven, beskriver, hvordan elektriske ladninger interagerer fra det klassiske synspunkt (uden at betragte fotonet som en mediator).
Hvis partiklernes hastighed er tæt på lysets, ændres deres adfærd, og det er nødvendigt at tilføje relativistiske korrektioner til den klassiske teori, der stammer fra Albert Einsteins relativitetsteori (relativistisk elektrodynamik).
Og når skalaen af de fænomener, der skal undersøges, er atomskalaen eller mindre, får kvanteeffekterne relevans og giver anledning til kvanteelektrodynamik.
Den matematik, der er nødvendig til studiet af elektrodynamik, er Vectoralgebra og Vector Calculus, da elektriske og magnetiske felter er enheder af vektor-karakter. Skalarfelter, såsom elektrisk potentiale og magnetisk flux, deltager også.
De matematiske operatorer for derivater af vektorfunktioner er:
Koordinatsystemer er nødvendige for at løse Maxwells ligninger. Ud over kartesiske koordinater er brugen af cylindriske koordinater og sfæriske koordinater almindelig..
I integration vises sætningerne til Green, Stokes og divergenssætningen.
Endelig er der en funktion kaldet Dirac delta, som er defineret gennem dets egenskaber og er meget nyttig til at udtrykke belastningsfordelinger begrænset til en bestemt dimension, for eksempel en lineær, overfladefordeling, et punkt eller et plan.
Oprindelsen til elektromagnetiske bølger er i elektriske ladninger, hvis bevægelse accelereres. En tidsvarierende elektrisk strøm producerer et elektrisk felt beskrevet af vektorfunktionen OG(x, y, z, t) og producerer igen et magnetfelt B (x, y, z, t).
Disse felter kombineres for at danne det elektromagnetiske felt, hvor det elektriske felt stammer fra magnetfeltet og omvendt..
Når elektriske ladninger er statiske, er der elektrostatisk tiltrækning eller frastødning mellem dem, mens den magnetiske interaktion opstår som følge af ladningernes bevægelse..
De fire Maxwell-ligninger relaterer hvert af felterne til dens kilde, og sammen med Lorentz-kraften danner de det teoretiske grundlag for elektrodynamik..
Den elektriske feltstrøm, der efterlader et volumen lukket af den lukkede overflade S, er proportional med nettoladningen, der er lukket i den:
Hvor dTIL er en områdedifferentiale og k er den elektrostatiske konstant. Denne lov er en konsekvens af Coulombs lov for kraften mellem elektriske ladninger.
Magnetfeltstrømmen gennem et volumen afgrænset af en lukket overflade S er nul, fordi de magnetiske monopol ikke findes.
Derfor, når en magnet er lukket inde i et volumen afgrænset af S, er antallet af feltlinjer, der indtaster S, lig med antallet af linjer, der forlader:
Michael Faraday opdagede, at den relative bevægelse mellem en lukket metallisk sløjfe C og en magnet genererer en induceret strøm. Den inducerede spænding (elektromotorisk kraft) εind, forbundet med denne strøm, er proportional med tidsderivatet af den magnetiske flux ΦB der krydser området afgrænset af sløjfen:
Minustegnet er Lenzs lov, der siger, at den inducerede spænding modsætter sig ændringen i flux, der producerer den. Men den inducerede elektromotoriske kraft er linjeintegret i det elektriske felt langs den lukkede sti C, derfor:
Cirkulationen af magnetfeltet på en kurve C er proportional med den samlede strøm, som kurven lukker. Der er to bidrag til det: ledningsstrømmen I og forskydningsstrømmen forårsaget af tidsvariationen af den elektriske flux ΦOG:
Hvor μeller og εeller er konstante, den første er vakuumgennemtrængelighed og den anden den elektrisk permittivitet af vakuum.
Maxwells ligninger beskriver forholdet mellem OG, B og deres respektive kilder, men dynamikken i en elektrisk ladning er beskrevet af Lorentz-loven eller Lorentz-styrken.
Hun påpeger, at den samlede kraft, der virker på en last hvad der bevæger sig med hastighed v midt i et elektrisk felt OG og et magnetfelt B (ikke produceret af hvad) er givet af:
F = qOG + hvadv x B
Opladningerne i ordnet bevægelse udgør en elektrisk strøm, som er i stand til at generere energi til at udføre nyttigt arbejde: belysning af pærer, motorer i bevægelse, kort sagt, start af mange enheder..
Elektrodynamik muliggør transmission af elektrisk energi gennem vekselstrøm fra fjerne steder, hvor energi transformeres og genereres, til byer, industrier og hjem.
Ved at sigte på studiet af ladninger i bevægelse er elektrodynamik det fysiske fundament for elektronik, der beskæftiger sig med design af enheder, der gennem elektroniske kredsløb bruger strømmen af elektriske ladninger til at generere, transmittere, modtage og lagre elektromagnetiske signaler, der indeholder information.
Endnu ingen kommentarer