Elektrodinamik

Kami menerangkan apa elektrodinamik, sejarah, asas, undang -undang utama, dan aplikasi

Apakah elektrodinamik?

The Elektrodinamik Ia adalah cabang fizik yang menghadiri segala yang berkaitan dengan pergerakan caj elektrik. Terangkan apa evolusi pada masa satu set zarah n dengan jisim dan caj elektrik, di mana kedudukan awal dan kelajuannya diketahui.

Sekiranya ia adalah satu set zarah yang besar dengan momentum Kecil, pergerakan mereka dan interaksi yang berlaku di antara mereka digambarkan secara makroskopik melalui elektrodinamik klasik, yang menggunakan undang -undang Newton pergerakan dan undang -undang.

Dan jika momentum zarah besar dan bilangan zarah kecil, kesan relativistik dan kuantum mesti diambil kira.

Tambahkan kesan relativistik dan kuantum kepada kajian sistem bergantung kepada tenaga foton yang terlibat semasa interaksi. Foton adalah zarah tanpa beban atau jisim (untuk tujuan praktikal) yang ditukar apabila terdapat tarikan atau penolakan elektrik.

Sekiranya momentum foton kecil, berbanding dengan momentum sistem, keterangan klasik mencukupi untuk mendapatkan pencirian ini.

Sejarah Elektrodinamik Ringkas

Undang -undang yang menggambarkan dinamika zarah yang dikenakan ditemui antara akhir abad ke -18 dan pertengahan abad ke -19, ketika konsep arus elektrik timbul, akibat dari kerja eksperimen dan teoritis banyak saintis.

Ahli fizik Itali Alessandro Volta (1745-1827) mengeluarkan longgokan voltan pertama pada awal abad kesembilan belas. Dengan itu dia memperoleh arus berterusan, yang kesannya mula dipelajari dengan segera.

Ilustrasi Alessandro Volta

Hubungan antara caj elektrik yang bergerak dan magnet diturunkan dengan eksperimen ahli fizik Hans Christian Oersted (1777-1851) pada tahun 1820. Di dalamnya, diperhatikan bahawa arus elektrik dapat menggerakkan jarum kompas dengan cara yang sama seperti magnet.

Itu adalah André Marie Ampere (1775-1836) yang ditubuhkan dengan cara matematik hubungan antara semasa dan magnet, melalui undang-undang yang menanggung namanya.

Pada masa yang sama, Georg Simon Ohm (1789-1854) secara kuantitatif mengkaji cara bahan-bahan menjalankan elektrik. Beliau juga membangunkan konsep rintangan elektrik dan hubungannya dengan voltan dan arus, melalui undang -undang ohm untuk litar.

Ia boleh melayani anda: Teori Negeri pegun: Sejarah, Penjelasan, Berita

Michael Faraday (1791-1867) menemui cara untuk menghasilkan arus melalui pergerakan relatif antara sumber medan magnet dan litar tertutup.

Beberapa waktu kemudian, ahli fizik James Clerk Maxwell (1831-1879) mencipta teori untuk elektromagnetisme yang menyatukan semua undang-undang yang ditemui, menerangkan fenomena yang diketahui sehingga masa itu.

Di samping itu, melalui persamaannya, Maxwell meramalkan beberapa kesan yang kemudiannya disahkan. Contohnya, ketika Heinrich Hertz (1857-1894), penemu gelombang radio, mengesahkan bahawa mereka berpindah pada kelajuan cahaya.

Dengan kedatangan teori relativiti, pada awal abad ke -20, mungkin untuk menjelaskan tingkah laku zarah dengan kelajuan yang dekat dengan cahaya. Sementara itu, mekanik kuantum elektrodinamik halus dengan memperkenalkan konsep putaran dan menjelaskan asal -usul magnet dalam perkara itu.

Asas Elektrodinamik

Elektrodinamik berkaitan dengan mengkaji beban bergerak

Electrodynamics didasarkan pada empat undang -undang, yang dikenali sebagai: Undang -undang Coulomb, Gauss Law, Ampere Law dan Faraday Law.

Empat undang -undang ini, ditambah dengan prinsip pemuliharaan beban, yang berasal dari mereka dan undang -undang pasukan Lorentz, menggambarkan bagaimana caj elektrik berinteraksi dari sudut pandang klasik (tanpa mempertimbangkan foton sebagai mediator).

Sekiranya kelajuan zarah hampir dengan cahaya, kelakuannya diubahsuai dan perlu menambah teori klasik beberapa pembetulan relativistik yang berasal dari teori relativiti Albert Einstein (Elektrodinamik relativistik).

Dan apabila skala fenomena untuk belajar adalah skala atom atau lebih kecil, kesan kuantum memperoleh kaitan, yang menimbulkan Electrodynamics Quantum.

Asas Matematik Elektrodinamik

Matematik yang diperlukan untuk kajian elektrodinamik adalah pengiraan aljabar vektor dan vektor, kerana medan elektrik dan magnet adalah entiti sifat vektor. Bidang skalar juga mengambil bahagian, seperti potensi elektrik dan fluks magnet.

Boleh melayani anda: optik geometri: apa kajian, undang -undang, aplikasi, latihan

Pengendali matematik bagi mereka yang diperoleh daripada fungsi vektor adalah:

• Kecerunan.
• Perbezaan.
• Putaran.
• Laplaciano.

Sistem koordinat diperlukan untuk resolusi maxwell. Sebagai tambahan kepada koordinat Cartesian, penggunaan koordinat silinder dan koordinat sfera adalah kerap.

Dalam integrasi teorem hijau, stokes dan teorem divergensi muncul.

Akhirnya, ada fungsi yang dipanggil Dirac Delta, yang ditakrifkan melalui sifatnya dan sangat berguna untuk menyatakan pengagihan pengecasan yang terhad kepada dimensi tertentu, contohnya pengedaran linear, cetek, titik atau satah.

Gelombang elektromagnet

Asal gelombang elektromagnetik berada dalam beban elektrik yang pergerakannya dipercepat. Arus elektrik yang berubah -ubah dalam masa, menghasilkan medan elektrik, yang diterangkan oleh fungsi vektor Dan (x, y, z, t) dan seterusnya menghasilkan medan magnet B (X, y, z, t).

Bidang ini digabungkan untuk membentuk medan elektromagnet, di mana medan elektrik berasal ke medan magnet dan sebaliknya.

Undang -undang Elektrodinamik

Apabila caj elektrik statik, di antaranya terdapat tarikan elektrostatik atau penolakan, sementara interaksi magnet timbul dari pergerakan beban.

Empat persamaan Maxwell mengaitkan setiap bidang ke sumber mereka, dan bersama -sama dengan kekuatan Lorentz, mereka membentuk asas teori elektrodinamik.

Plak peringatan dengan persamaan Maxwell (dari segi pengendali pembezaan), yang merupakan sebahagian daripada patung yang didirikan di bandar Edinburgh untuk menghormati ahli fizik Scotland. Sumber: Wikimedia Commons.

Undang -undang Gauss

Aliran medan elektrik yang keluar dari jumlah yang tertutup oleh permukaan tertutup, adalah berkadar dengan beban bersih yang tertutup di dalamnya:

Di mana dKe Ia adalah perbezaan kawasan dan k Ia adalah pemalar elektrostatik. Undang -undang ini adalah akibat dari undang -undang Coulomb untuk kekerasan antara caj elektrik.

Gauss Undang -undang Magnetisme

Aliran medan magnet melalui kelantangan yang dibatasi oleh permukaan tertutup s adalah null, kerana monopol magnet tidak wujud.

Akibatnya, selagi magnet dikurung dalam jumlah yang dibatasi oleh S, bilangan garis medan ke S adalah sama dengan bilangan garisan yang keluar:

Boleh melayani anda: lengan tuil

Undang -undang Faraday

Michael Faraday mendapati bahawa pergerakan relatif antara spase logam tertutup dan magnet menghasilkan arus teraruh. Voltan yang disebabkan (daya elektromotif) ε_Ind, Berkaitan dengan arus ini, ia berkadar dengan derivatif sementara fluks magnet φ_B yang melintasi kawasan yang dibatasi oleh la espira:

Tanda kurang adalah undang -undang Lenz, yang menunjukkan bahawa voltan yang diinduksi menentang perubahan aliran yang menghasilkannya. Tetapi daya elektromotor yang disebabkan adalah garis integral medan elektrik di sepanjang jalan tertutup C, oleh itu: oleh itu:

Undang-undang Ampere-Maxwell

Peredaran medan magnet pada lengkung c adalah berkadar dengan jumlah arus yang melampirkan lengkung. Terdapat dua sumbangan kepadanya: arus pengaliran I dan arus anjakan yang berasal dari variasi pada masa aliran elektrik φ_Dan:

Di mana μ_{Sama ada} dan ε_{Sama ada} Mereka tetap, yang pertama adalah Kebolehtelapan vakum dan yang kedua Kemungkinan elektrik.

Undang -undang Lorentz

Persamaan Maxwell menggambarkan hubungan antara Dan, B dan sumber masing -masing, tetapi dinamik caj elektrik digambarkan oleh undang -undang Lorentz atau undang -undang Lorentz.

Dia menyatakan bahawa jumlah kekuatan yang bertindak atas beban q yang bergerak dengan kelajuan v Di tengah -tengah medan elektrik Dan dan medan magnet B (Tidak dihasilkan oleh q) diberikan oleh:

F = QDan + qv x B

Aplikasi Elektrodinamik

Beban bergerak yang diperintahkan adalah arus elektrik, yang mampu menjana tenaga untuk melakukan kerja yang berguna: mentol lampu, enjin bergerak, ringkas, mulakan banyak peranti.

Pengagihan kuasa elektrik

Elektrodinamik memungkinkan penghantaran elektrik, melalui arus bergantian, dari tempat yang jauh di mana tenaga berubah dan dihasilkan, ke bandar, industri dan isi rumah.

elektronik

Memandangkan objektifnya kajian beban bergerak, elektrodinamik adalah asas fizikal elektronik, yang berkaitan dengan reka bentuk peranti yang, melalui litar elektronik, menggunakan aliran beban elektrik untuk menjana, menghantar, menerima, menerima dan menyimpan isyarat elektromagnetik yang bahawa mengandungi maklumat.

Rujukan

1. Cosenza, m. Elektromagnetisme. Universiti Andes.
2. Díaz, r. Elektrodinamik: Nota Kelas. Universiti Kebangsaan Colombia.
3. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Elektrodinamik klasik. Ke -3. Ed. Wiley.
5. Tarazona, c. Pengenalan kepada Electrodynamics. Universiti Editorial Manuela Beltrán.