electrodinamică Este ramura fizicii care se ocupă cu tot ceea ce ține de mișcarea sarcinilor electrice. Descrieți evoluția în timp a unui set de N particule cu masă și sarcină electrică, din care sunt cunoscute poziția și viteza lor inițială..
Dacă este un set mare de particule cu impuls mic, mișcarea acestuia și interacțiunile care au loc între ele sunt descrise macroscopic prin electrodinamica clasică, care folosește legile mișcării lui Newton și legile lui Maxwell.
Și dacă impulsul particulelor este mare și numărul particulelor este mic, trebuie luate în considerare efectele relativiste și cuantice..
Adăugarea de efecte relativiste și cuantice la studiul sistemului depinde de energia fotonilor implicați în timpul interacțiunii. Fotonii sunt particule fără sarcină sau masă (în scopuri practice) care sunt schimbate ori de câte ori există o atracție electrică sau repulsie.
Dacă impulsul fotonilor este mic, în comparație cu impulsul sistemului, descrierea clasică este suficientă pentru a obține caracterizarea acestui.
Indice articol
Legile care descriu dinamica particulelor încărcate au fost descoperite între sfârșitul secolului al XVIII-lea și mijlocul secolului al XIX-lea, când a apărut conceptul de curent electric, ca urmare a muncii experimentale și teoretice a multor oameni de știință..
Fizicianul italian Alessandro Volta (1745-1827) a realizat prima grămadă voltaică în zorii secolului al XIX-lea. Cu el a obținut un curent continuu, ale cărui efecte au început să fie studiate imediat.
Legătura dintre sarcinile electrice în mișcare și magnetism a fost dezvăluită cu experimentele fizicianului Hans Christian Oersted (1777-1851) din 1820. În acestea s-a observat că un curent electric era capabil să deplaseze acul busolei în același mod ca și magneții.
André Marie Ampere (1775-1836) a fost cel care a stabilit în formă matematică legătura dintre curent și magnetism, prin legea care îi poartă numele..
În același timp Georg Simon Ohm (1789-1854) a studiat cantitativ modul în care materialele conduc electricitatea. De asemenea, el a dezvoltat conceptul de rezistență electrică și relația acestuia cu tensiunea și curentul, prin legea lui Ohm pentru circuite.
Michael Faraday (1791-1867) a găsit o modalitate de a genera un curent prin mișcarea relativă dintre sursa câmpului magnetic și un circuit închis.
Ceva mai târziu, fizicianul James Clerk Maxwell (1831-1879) a creat o teorie pentru electromagnetism care unifica toate legile descoperite, explicând fenomenele cunoscute până atunci.
Mai mult, prin ecuațiile sale, Maxwell a prezis mai multe efecte care au fost ulterior confirmate. De exemplu, când Heinrich Hertz (1857-1894), descoperitor al undelor radio, a verificat că se mișcau cu viteza luminii.
Odată cu apariția teoriei relativității, la începutul secolului al XX-lea, a fost posibil să se explice comportamentul particulelor cu viteze apropiate de cea a luminii, în timp ce mecanica cuantică a rafinat electrodinamica prin introducerea conceptului de spin și astfel explicând originea a magnetismului în materie.
Electrodinamica se bazează pe patru legi, care sunt cunoscute separat sub numele de: legea lui Coulomb, legea lui Gauss, legea lui Ampere și legea lui Faraday..
Aceste patru legi, plus principiul conservării sarcinii, care este derivat din ele și legea forței Lorentz, descriu modul în care sarcinile electrice interacționează din punct de vedere clasic (fără a considera fotonul ca un mediator).
Dacă viteza particulelor este apropiată de cea a luminii, comportamentul lor se schimbă și este necesar să adăugăm corecții relativiste la teoria clasică care sunt derivate din teoria relativității lui Albert Einstein (electrodinamica relativistă).
Și când scara fenomenelor care urmează să fie studiate este la scară atomică sau mai mică, efectele cuantice capătă relevanță, dând naștere la electrodinamica cuantică.
Matematica necesară studiului electrodinamicii este Vector Algebra și Vector Calculus, deoarece câmpurile electrice și magnetice sunt entități de natură vectorială. Câmpurile scalare, cum ar fi potențialul electric și fluxul magnetic, participă, de asemenea.
Operatorii matematici pentru derivatele funcțiilor vectoriale sunt:
Pentru rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell sunt necesare sisteme de coordonate. Pe lângă coordonatele carteziene, este frecventă utilizarea coordonatelor cilindrice și a coordonatelor sferice..
În integrare apar teoremele lui Green, Stokes și teorema divergenței.
În cele din urmă, există o funcție numită Dirac delta, care este definit prin proprietățile sale și este foarte util pentru a exprima distribuții de sarcină limitate la o anumită dimensiune, de exemplu o distribuție liniară, de suprafață, un punct sau un plan.
Originea undelor electromagnetice se află în sarcini electrice a căror mișcare este accelerată. Un curent electric care variază în timp produce un câmp electric, descris de funcția vectorială ȘI(x, y, z, t) și, la rândul său, produce un câmp magnetic B (x, y, z, t).
Aceste câmpuri se combină pentru a forma câmpul electromagnetic, în care câmpul electric are originea câmpului magnetic și invers..
Când încărcăturile electrice sunt statice, există atracție sau respingere electrostatică între ele, în timp ce interacțiunea magnetică apare din mișcarea sarcinilor..
Cele patru ecuații Maxwell raportează fiecare câmp la sursa sa și, împreună cu forța Lorentz, formează baza teoretică a electrodinamicii..
Fluxul de câmp electric care lasă un volum închis de suprafața închisă S, este proporțional cu sarcina netă închisă în ea:
Unde dLA este un diferențial de zonă și k este constanta electrostatică. Această lege este o consecință a legii lui Coulomb pentru forța dintre sarcinile electrice.
Fluxul câmpului magnetic printr-un volum delimitat de o suprafață închisă S este zero, deoarece monopolurile magnetice nu există.
În consecință, ori de câte ori un magnet este închis într-un volum delimitat de S, numărul de linii de câmp care intră în S este egal cu numărul de linii care ies:
Michael Faraday a descoperit că mișcarea relativă dintre o buclă metalică închisă C și un magnet generează un curent indus. Tensiunea indusă (forța electromotivă) εind, asociat cu acest curent, este proporțional cu derivata în timp a fluxului magnetic ΦB care traversează zona delimitată de buclă:
Semnul minus este legea lui Lenz, care afirmă că tensiunea indusă se opune schimbării fluxului care o produce. Dar forța electromotivă indusă este linia integrală a câmpului electric de-a lungul căii închise C, prin urmare:
Circulația câmpului magnetic pe o curbă C este proporțională cu curentul total pe care îl cuprinde curba. Există două contribuții la acesta: curentul de conducere I și curentul de deplasare cauzat de variația în timp a fluxului electric ΦȘI:
Unde μsau și εsau sunt constante, primul este permeabilitatea la vid iar al doilea permitivitatea electrică a vidului.
Ecuațiile lui Maxwell descriu relația dintre ȘI, B și sursele lor respective, dar dinamica unei sarcini electrice este descrisă de legea Lorentz sau forța Lorentz.
Ea subliniază că forța totală care acționează asupra unei sarcini ce care se mișcă cu viteză v în mijlocul unui câmp electric ȘI și un câmp magnetic B (nu este produs de ce) este dat de:
F = qȘI + cev X B
Sarcinile în mișcare ordonată constituie un curent electric, care este capabil să genereze energie pentru a face lucrări utile: aprinderea becurilor, mișcarea motoarelor, pe scurt, pornirea a numeroase dispozitive..
Electrodinamica face posibilă transmiterea energiei electrice, prin curent alternativ, din locuri îndepărtate în care energia este transformată și generată, către orașe, industrii și case.
Prin vizarea studiului sarcinilor în mișcare, electrodinamica este fundamentul fizic al electronicii, care se ocupă cu proiectarea dispozitivelor care, prin circuite electronice, utilizează fluxul de sarcini electrice pentru a genera, transmite, primi și stoca semnale electromagnetice care conțin informații.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.