Надо Знать

добавить знаний



Классическая электродинамика



План:


Введение

Классическая электродинамика ( рус. электродинамики, англ. electrodynamics, нем. Elektrodynamik f) - раздел физики, занимающийся изучением взаимодействия наэлектризованных, намагниченных тел и проводников с токами.

Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в различных условиях, как свободное, так и в различных случаях взаимодействия с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляемое посредством электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию подразумевается классическая (не затрагивает квантовых эффектов) электродинамика, для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.

Базовыми понятиями классической электродинамики является представление о электрическое и магнитное поле вокруг заряженных тел и проводников с током.

Состоит из двух частей: макроскопической электродинамики, базирующейся на уравнениях Максвелла, и классической электронной теории.

Основные уравнениями классической электродинамики является уравнения Максвелла, которые устанавливают связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Суть четырех уравнений Максвелла для электромагнитного поля качественно сводится к следующему:

  1. Магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем;
  2. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем;
  3. Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты (это означает, что оно не имеет источников - магнитных зарядов, подобных электрическим);
  4. Электрическое поле незапертой силовыми линиями (потенциальное поле) порождается электрическими зарядами - источниками этого поля. Из теории Максвелла вытекает конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн.

В классической электродинамике рассматриваются также электромагнитные волны, их излучение и распространение в пространстве.

Отдельным разделом классической электродинамики является электродинамика сплошных сред, в которой рассматривается отзыв физических сред на возмущение внешним электрическим и магнитным полем.


1. Содержание электродинамики

Основным содержанием классической электродинамики является описание свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными телами (заряженные тела "порождают" электромагнитное поле, является его "источниками", а электромагнитное поле в свою очередь действует на заряженные тела, создавая электромагнитные силы). Это описание, кроме определения основных объектов и величин, таких как электрический заряд, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное потенциал сводится к уравнениям Максвелла в той или иной форме и формуле силы Лоренца, а также затрагивает некоторые смежные вопросы (связанные по математической физике, приложениям, вспомогательным величинам и вспомогательным формулам, важным для приложений, например вектор плотности тока или эмпирический закон Ома). Также это описание включает вопросы сохранения и переноса энергии, импульса, момента импульса электромагнитного поля, включая формулы для плотности энергии, вектора Пойнтинга т.д.

Иногда под электродинамическими эффектами (в противовес электростатике) понимают те существенные различия общего случая поведения электромагнитного поля (например, динамическое взаимосвязь между переменными электрическим и магнитным полем) от статического случая, которые делают частный статический случай гораздо проще для описания, понимания и расчетов.


2. Специальные разделы электродинамики

  • Электростатика описывает свойства статического (не переменного по времени или такого, что меняется достаточно медленно, чтобы "электродинамическими" эффектами можно пренебречь, то есть, когда в уравнениях Максвелла можно отбросить, из-за их малости, члены с производными по времени) электрического поля и его взаимодействия с электрически заряженными телами (электрическими зарядами), которые также неподвижные или движущиеся с достаточно малыми скоростями (или, может, если есть и есть заряды, быстро двигаются, но они достаточно малы по размеру), чтобы создаваемые ими поля можно приближенно рассматривать как статические. Обычно при этом имеется в виду и отсутствие (или пренебрежением воздействия через незначительную силу) магнитных полей.
  • Магнитостатики исследует постоянные токи (и постоянные магниты) и постоянные магнитные поля (поля не изменяются во времени или изменяются настолько медленно, что скорости этих изменений в расчете можно пренебречь), а также их взаимодействие.
  • Электродинамика сплошных сред рассматривает поведение электромагнитных полей в сплошных средах.
  • Релятивистская электродинамика рассматривает электромагнитные поля в движущихся средах.

3. Основные понятия

Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:


4. Основные уравнения

Основными уравнениями, описывающими поведение электромагнитного поля и его взаимодействие с заряженными телами являются:

  • Уравнения Максвелла, определяющие поведение свободного электромагнитного поля вакууме и среде, а также генерацию поля источниками. Среди этих уравнений можно выделить:
    • Теорема Гаусса (закон Гаусса) для электрического поля, что определяет создание электростатического поля зарядами.
    • Закон замкнутости силовых линий магнитного поля ( соленоидного магнитного поля), он же - закон Гаусса для магнитного поля.
    • Закон индукции Фарадея, определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным полем.
    • Закон Ампера-Максвелла - теорема о циркуляции магнитного поля с добавлением токов смещения, введенных Максвеллом, определяет генерацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным электрическим полем.
  • Выражение для силы Лоренца, которая определяет силу, действующую на заряд, находящийся в электромагнитном поле.
  • Закон Джоуля-Ленца, определяющий величину тепловых потерь в проводящей среде с конечной проводимостью, при наличии в ней электрического поля.

Частичными уравнениями, имеющих особое значение есть:

  • Закон Кулона - в электростатике - закон, определяющий электрическое поле (напряженность и / или потенциал) точечного заряда; также законом Кулона называется и подобная формула, которая определяет электростатическую взаимодействие (силу, или потенцальну энергию) двух точечных зарядов.
  • Закон Био-Савара - в магнитостатици - основной закон, описывающий порождение магнитного поля током (аналогичный по своей роли в магнитостатици закона Кулона в электростатике).
  • Закон Ампера, определяющий силу, которая действует на элементарный ток, помещен в магнитное поле.
  • Теорема Пойнтинга, выражающей собой закон сохранения энергии в электродинамике.
  • Закон сохранения заряда.

5. История

Первым доказательством связи электрических и магнитных явлений стало экспериментальное открытие Эрстед в 1819 - 1820 порождение магнитного поля электрическим током. Он высказал идею о некотором взаимодействия электрических и магнитных процессов в пространстве, окружающем проводник, однако в достаточно нечеткой форме.

В 1831 Майкл Фарадей экспериментально открыл явление и закон электромагнитной индукции, стали первым ясным свидетельством непосредственного динамического взаимосвязи электрического и магнитного полей. Он разработал (применительно к электрического и магнитного полей) основы концепции физического поля и некоторые базисные теоретические представления, позволяющие описывать физические поля, а также в 1832 году предсказал существование электромагнитных волн.

В 1864 Дж. К. Максвелл впервые опубликовал полную систему уравнений ?классической электродинамики", описывающая эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Он выразил теоретически обоснованное предположение о том, что свет есть электромагнитной волной, т.е. объектом электродинамики.

В 1895 году Лоренц завершил построение классической электродинамики, описав взаимодействие электромагнитного поля (подвижными) точечными заряженными частицами.

В середине XX века была создана квантовая электродинамика - одна из самых точных физических теорий.


6. Прикладное значение

Электродинамика лежит в основе физической оптики, физики распространения радиоволн, а также пронизывает практически всю физику, так как почти во всех разделах физики приходится иметь дело с электрическими полями и зарядами, а часто и с их нетривиальными быстрыми изменениями и движениями. Кроме того, электродинамика является образцовой физической теорией (и в классическом и в квантовом своем варианте), что объединяет очень большую точность расчетов и прогнозов с влиянием теоретических идей, рожденных в ее области, на другие области теоретической физики. Электродинамика имеет огромное значение в технике и лежит в основе: радиотехники, электротехники, различных отраслей связи и радио.


См.. также

Литература

  • Малая горная энциклопедия (в 3-х томах) / Под ред. С. Белецкого. - Донецк: Донбасс, 2004.
  • Сугаков В. И. Электродинамика. - К. : Высшая школа, 1974. - 271 с.
  • Федорченко А. М. Классическая механика и электродинамика / / Теоретическая физика. - К. : Высшая школа, 1992. - Т. 1. - 535 с.
  • Джексон Дж. Классическая электродинамики. - М. : Мир, 1965. - 702 с.
  • Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамики. - М. : Физматгиз, 1963. - 432 с.
  • Смайт В. электростатики и электродинамики. - М. : ИЛ, 1954. - 606 с.
  • Стрэттоне Дж. А. Теория электромагнетизм. - М. : ГИТТЛ, 1948. - 540 с.
  • Тамм И. Е. Основы теории электричества. - М. : Наука, 1989. - 500 с.


п ? о ? р Электромагнетизм
Електромагнетних спектр
Оптический спектр ? Спектр радиочастот
Электростатика
Магнетостатика
Электродинамика
Электрическая цепь
п ? о ? р Главные разделы физики


Физика Это незавершенная статья физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам