Виды электродинамики

Основы электродинамики, теория и примеры

Виды электродинамики

Классическая электродинамика изучает и описывает свойства электромагнитных полей. Рассматривает законы, по которым электромагнитные поля взаимодействуют с телами, обладающими электрическим зарядом.

Базовые понятия электродинамики

Основой электродинамики неподвижной среды являются уравнения Максвелла. Электродинамика оперирует такими основными понятиями как электромагнитное поле, электрический заряд, электромагнитный потенциал, вектор Пойнтинга.

Электромагнитным полем называют особый вид материи, который проявляется при воздействии одного заряженного тела на другое.

Часто при рассмотрении электромагнитного поля выделяют его составляющие: электрическое поле и магнитное поле. Электрическое поле создает электрический заряд или переменное магнитное поле.

Магнитное поле возникает при движении заряда (заряженного тела) и при наличии переменного во времени электрического поля.

Электромагнитный потенциал – это физическая величина, определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве.

Электродинамику разделяют на: электростатику; магнитостатику; электродинамику сплошной среды; релятивистскую электродинамику.

Вектор Пойнтинга (вектор Умова — Пойнтинга) – это физическая величина, являющаяся вектором плотности потока энергии электромагнитного поля. Величина данного вектора равна энергии, которая переносится в единицу времени сквозь единичную площадь поверхности, которая перпендикулярна направлению распространения электромагнитной энергии.

Электродинамика составляет основу для изучения и развития оптики (как раздела науки), физики радиоволн. Этот раздел науки является фундаментом для радиотехники и электротехники.

Классическая электродинамика, при 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.

Структурные уравнения Максвелла

Система уравнений Максвелла имеет такое же значение в электродинамике как законы Ньютона в классической механике. Уравнения Максвелла были получены в результате обобщения многочисленных экспериментальных данных.

Выделают структурные уравнения Максвелла, записывая их в интегральном или дифференциальном виде и материальные уравнения, которые связывают векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.

Структурные уравнения Максвелла в интегральном виде (в системе СИ):

где – вектор напряженности магнитного поля; — вектор плотности электрического тока; – вектор электрического смещения. Уравнение (1) отображает закон создания магнитных полей.

Магнитное поле возникает при движении заряда (электрический ток) или при изменении электрического поля. Это уравнение – обобщение закона Био-Савара-Лапласа.

Уравнение (1) носит название теоремы о циркуляции магнитного поля.

где – вектор индукции магнитного поля; – вектор напряжённости электрического поля; L – замкнутый контур, по которому происходит циркуляция вектора напряженности электрического поля. Другое название уравнения (2) — это закон электромагнитной индукции. Выражение (2) означает то, что вихревое электрическое поле порождается благодаря переменному магнитному полю.

где – электрический заряд; – плотность заряда. Уравнение (3) называют теоремой Остроградского — Гаусса. Электрические заряды являются источниками электрического поля, существуют свободные электрические заряды.

Уравнение (4) свидетельствует о том, что магнитное поле является вихревым. Магнитных зарядов в природе не существует.

Структурные 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 определяют электромагнитное поле в любой 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.

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

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/osnovy-elektrodinamiki/

Виды электродинамики

Виды электродинамики

Определение 1

Электродинамика – огромная отрасль науки, которая изучает взаимодействие положительно заряженных тел, а также влияние электромагнитного поля на эти заряды.

Рисунок 1. Электродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Среди четырех основных типов взаимодействий, открытых физикой (электромагнитных, гравитационных, атомных и слабых), именно электромагнитные взаимосвязи считаются основными и занимают первое место по широте применения. В обычной жизни и технике исследователи чаще всего используют различные виды электромагнитных сил:

  • показатели упругости,
  • интенсивность трения;
  • силы человеческих и животных мышц.

На сегодняшний день выделяют следующие сферы использования электродинамики: практическая – применение излучения электромагнитного излучения в реальной жизни; теоретическая – изучение электростатики в вакууме, а также взаимодействие токов и зарядов.

Электромагнитные регулярные взаимодействия дают возможность полноценно видеть книгу, которую читает человек, так как свет — одна из главных форм электромагнитного поля.Существование жизни на земле немыслимо без этих сил.

Живые существа, как продемонстрировали полеты космонавтов, могут в течение длительного периода времени находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения не воздействуют на жизнедеятельность организмов.

Но если бы на мгновение действие электромагнитных сил прекратилось, то сразу исчезла бы и сама жизнь.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

При постоянном взаимодействии частиц в самых малых системах природы — в атомных ядрах — и при связи космических тел электромагнитные параметры играют важную роль, в то время как слабые и сильные процессы в них определяются только в очень малых масштабах, а гравитационные — исключительно в космических.

Создание электродинамики

К появлению электродинамики привела длинная цепь многочисленных и планомерных исследований, а также неожиданных открытий, начиная с выявления уникальной способности янтаря, потертого несколько раз о шелк, и кончая теорией великого английского физика-теоретика Джемса Клерка Максвелла о возникновении магнитного поля с переменным электрическим полем. Только во второй половине XIX столетия, после внедрения в науку электродинамики, наблюдалось широкое применение общих электромагнитных явлений. Изобретение радио талантливым ученым А. С. Поповым — одно из значимых использований принципов и методов новой теории.

При стремительном развитии электродинамики впервые научные эксперименты предшествовали техническим открытиям. Если самая простая паровая машина была изобретена задолго до реализаций идей тепловых процессов, то сконструировать мощный электродвигатель оказалось реальным лишь после открытия и изучения закономерностей электродинамики.

Бесчисленное практическое применение электромагнитных процессов смогло преобразовать жизнь человечество в целом, ведь трудно представить современную цивилизацию без широчайшего применения энергии и силы электрического тока.

Взаимодействие и стабильность неподвижных электрических зарядов детально описывается формулами электростатики, которые можно получить как результат уравнений Максвелла.

Микроскопическое электрическое и магнитное поле, которое создается конкретными заряженными частицами, в классической электродинамике характеризуется уравнениями Лоренца-Максвелла, лежащие в основе статистической гипотезы электромагнитных явлений в макроскопических физических телах.

Усреднение данных уравнений приводит к появлению новых идей, которые выливались в универсальные теории. Только в конце прошлого века ученые смогли более обширно использовать свойства и принципы электродинамики в своих учениях, которые продолжаются и по сегодняшний день.

Напряженность и действие электрического поля в электродинамике

Чтобы правильно определить показатели электрического поля, необходимо взять некоторую точку исследуемого объекта и поместить в нее различные заряды. Со стороны поля на них будет постоянно воздействовать определенная сила.

Отношение действующей на заряд со стороны физического тела силы будет постоянным в данной точке, так как оно:

  • не зависит от нестабильного модуля помещенного заряда,
  • находится в зависимости от расположения выбранной точки поля.

То есть данное взаимоотношение характеризует все свойства поля в выбранной точке.

Определение 2

Напряженность электрического поля – это особая физическая величина, которую можно приравнять к силе, действующей исключительно на единичный заряд, помещенный в конкретную точку поля.

За направление основного вектора напряженности ученые принимают направление интенсивности силовых процессов, действующих только на точечный положительный заряд.Линии общей напряженности электрического поля представляют собой касательные линии, которые в каждой точке полностью совпадают с вектором напряженности.

Следовательно, можно сделать вывод, что силовые линии:

  • всегда имеют начало и конец;
  • могут начинаться на положительном заряде или в бесконечности;
  • завершают свое действие на отрицательном заряде или в невесомости;
  • нигде и никогда не пересекаются.

Если на заряд постоянно действуют несколько электрических полей, то напряженность изучаемого объекта будет равняться векторной сумме напряженностей всех полей, то есть здесь вступает в силу принцип суперпозиции.

Электродвижущая сила и электродинамика

Для того, чтобы в проводнике мог существовать электрический ток на протяжении длительного времени, необходимо в обязательном порядке поддерживать неизменными условия, при которых возник данный процесс.

Замечание 2

Во внешней цепи все электрические заряды могут двигаться только под воздействием сил электрического поля.

Но, чтобы не потерять разность потенциалов на концах электромагнитной цепи, исследователям приходится перемещать положительные заряды внутри источника самого тока против действующих сил электрического поля.

Такая трансформация осуществляется в результате влияния силовых явлений не электростатической природы.

Определение 3

В электродинамике силы, которые вызывают стремительное перемещение электрических зарядов внутри исследуемого источника постоянного тока против основного направления действия электростатического поля, называются сторонними силами.

Эти элементы в гальванической структуре или аккумуляторе появляются в результате мощных электрохимических процессов, которые происходят на границе раздела движущихся электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой считается сила Лоренца.

Полноценная работа сил электростатического поля при быстром движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока всегда равна нулю.

Следовательно, весь функционал электрического тока в замкнутом пространстве оказывается идеальным и законченным благодаря действию сторонних сил, вызывающих определенное разделение зарядов внутри поля и поддерживающих стабильное напряжение на выходе источника тока.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodinamika/vidy_elektrodinamiki/

Физика — Электродинамика

Виды электродинамики

Электродина́мика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие).

Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии 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 осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимается классическая электродинамика, описывающая только непрерывные свойства электромагнитного поля посредством системы уравнений Максвелла; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.

Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:

  • Электромагнитное поле — это основной предмет изучения электродинамики, вид материи, проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. Исторически разделяется на два поля:
    • Электрическое поле — создаётся любым заряженным телом или переменным магнитным полем, оказывает воздействие на любое заряженное тело.
    • Магнитное поле — создаётся движущимися заряженными телами, заряженными частицами, имеющими спин, и переменными электрическими полями, оказывает воздействие на движущиеся заряды и заряженные тела, имеющие спин. (Понятие спина в обменном взаимодействии тождественных частиц учитывается в квантовой механике и представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике.)
  • Электрический заряд — это свойство тел, позволяющее им взаимодействовать с электромагнитными полями: создавать эти поля, будучи их источниками, и подвергаться (силовому) действию этих полей.
  • Электромагнитный потенциал — 4-векторная физическая величина, полностью определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве. В трехмерной формулировке электродинамики из него выделяют:
    • Скалярный потенциал — временна́я компонента 4-вектора
    • Векторный потенциал — трёхмерный вектор, образованный оставшимися компонентами 4-вектора.
  • Вектор Пойнтинга — векторная физическая величина, имеющая смысл плотности потока энергии электромагнитного поля.

Основные формулы.

Закон Кулона, где 
Напряженность электрического поля
Напряженность электрического поля точечного заряда, – точечный заряд, создающий поле,  – радиус-вектор, проведенный из точки нахождения заряда в точку, в которой определяется напряженность
Электрический момент диполя, или дипольный момент
Напряженность электрического поля диполя
Теорема Гаусса для вектора напряженности электрического поля
Напряженность электрического поля плоскости
Потенциал электрического поля,  – потенциальная энергия электрического поля в рассматриваемой точке
Потенциал электрического поля точечного заряда
Работа сил электростатического поля по перемещению электрического заряда
Формула, связывающая напряженность и потенциал
Напряженность электрического поля бесконечно заряженной нити,  – линейная плотность заряда нити
Напряженность поля вблизи заряженного проводника,  – поверхностная плотность заряда
Емкость проводника
Емкость шара
Емкость конденсатора
Емкость плоского конденсатора
Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов
Емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов
Энергия конденсатора
Плотность энергии электрического поля
Сила тока
Плотность тока
Электродвижущая сила источника
Падение напряжения
Закон Ома для однородного участка цепи
Сопротивление проводника постоянного сечения
Закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме
Закон Ома для неоднородного участка
Закон Ома для замкнутой цепи
Ток короткого замыкания
Первое правило Кирхгофа
Второе правило Кирхгофа
Сопротивление последовательно соединенных проводников
Сопротивление параллельно соединенных проводников
Закон Джоуля–Ленца в интегральной форме
Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме
Величина силы Лоренца
Величина силы Ампера
Закон Био–Савара для поля, созданного движущимся зарядом
Закон Био–Савара для поля, созданного линейным элементом тока
Величина индукции магнитного поля бесконечного проводника с током
Теорема о циркуляции
Вращательный момент, действующий на рамку с током в магнитном поле
Поток вектора индукции магнитного поля
Работа по перемещению контура с током в магнитном поле
Электродвижущая сила индукции
Полная энергия колебательного контура
Формула Томсона

Информация взята с сайта ru.wikipedia.org

Источник: https://ppns.ucoz.ru/index/ehlektrodinamika/0-12

Работа над созданием теории электродинамики

К идее создания теоретических основ электродинамики привели большое количество планомерных научных экспериментов и парадоксальных открытий, начать перечислять которые можно с выявление способности кусочка янтаря, потертого о шелковую ткань, и заканчивая теорией появления магнитного поля с переменным током, которую разработал англичанин Джеймс Клерк Максвелл.

К разнообразному использованию общих электромагнитных явления приступили к середине XIX века, когда электродинамика была внедрена в науку. Одно из самых значимых применений методов и принципов новой теории – изобретение радиосвязи ученым А.С. Поповым. Электродинамика развивалась семимильными шагами, и впервые в истории технические открытия происходили после научных экспериментов.

Если изобретение паровой машины произошло задолго до того, как были реализованы идеи тепловых процессов, то только лишь открытия электродинамики и ее изучение позволило сконструировать электродвигатель.

Жизнь человечества была в целом преобразована благодаря бесчисленному практическому использованию электромагнитных процессов, современная цивилизация невозможна без самого широкого применения сил и энергии электрического тока.

Формулы электростатики, которые получаются как результат уравнений Максвелла, детально описывают стабильность и взаимодействие электрических зарядов, являющихся неподвижными.

Поле с электрическим и магнитным напряжением микроскопических размеров, создаваемое определенными заряженными частицами, в электродинамике выражено уравнениями Лоренца-Максвелла, на которых основана статистическая гипотеза электромагнитных явления в физических телах макроскопического размера.

Новые идеи, переходящие в универсальные теории, появляются в результате усреднений данных уравнений.

Лишь к концу прошлого века исследователи смогли достичь более обширного использования в своих учениях, продолжающихся и в наше время, свойств электродинамики и ее принципов.

Напряженность и действие поля с электрическим зарядом и его действие в электродинамических процессах

С целью правильного определения показателей электрического поля, следует поместить в определенную точку объекта исследования различные заряды. Заряды начинают подвергаться воздействие определенной силы со стороны поля с электрическим напряжением.

Так как отношение, которое действует на заряд не является зависимым от нестабильного модуля помещенного заряда, а определяется тем как расположена выбранная точка поля, то оно будет являться постоянным в данной точке поля. Таким образом, данным взаимоотношением охарактеризованы все свойства поля в точке поля, которая была выбрана.

Под напряженностью электрического поля подразумевают особую физическую величину, которую можно приравнять к силе, чье действие направлено исключительно лишь на единичный заряд, размещенный в данной точке поля.

Исследователи называют направлением основного вектора напряженности направление интенсивности силовых процессов, чье действие направлено на точечный положительный заряд. Что касается линий общей напряженности поля с электрическим напряжением, то так называют касательные линии, полностью совпадающие в каждой из точек с вектором напряженности.

Отсюда следуют по поводу силовых линий следующие выводы:

  • У них всегда есть начало и конец.
  • Началом может служить бесконечность или положительный заряд.
  • Их действие может завершиться в невесомости или на отрицательном заряде.
  • Полностью исключена возможность их пересечения.

Если идет действие нескольких электрических полей на заряд является постоянным, то напряженность объекта изучения будет равна сумме векторов напряженностей всех полей, таким образом отмечается факт вступления в силу так называемого принципа суперпозиции.

Электродвижущая сила

Необходимым условием существования в проводнике электрического тока в течении длительного времени, является обязательное поддержание неизменных условий, при которых произошло возникновение данного процесса.

Все электрические заряды имеют возможность двигаться во внешней цепи только при условии воздействия сил поля с электрическим напряжением.

Однако, чтобы избежать потери потенциальной разности на концах электромагнитной цепи, ученые вынуждены заниматься перемещением положительных зарядов внутри источника тока против сил, действующих на поле с электрическим напряжением.

Такого рода трансформация происходит в результате воздействия силовых явлений, имеющих не электростатическую природу.

Силы, которые становятся источниками движения электрических зарядов внутри изучаемого источника постоянного тока против направления действия поля с электростатическим напряжением, которое является основным, названы в электродинамике сторонними силами.

Появление данных элементов в аккумуляторе или в гальванической структуре обусловлено мощными электрохимическим процессами, происходящими на линии раздела находящихся в движении электрод-электролит.

Сторонняя сила в аппарате, производящем постоянный ток, получила наименование силы Лоренца. При быстром движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока всегда равняется нулю работа сил поля с электростатическим напряжением.

Получается, именно действие сторонних сил, которые вызывают определенное разделение зарядов внутри поля и поддерживают стабильность напряжения на выходе источника тока, обуславливает идеальность и законченность всего функционала электрического тока, находящегося в замкнутом пространстве.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/vidi-elektrodinamiki/

Основные понятия электродинамики

Виды электродинамики

Лекция 10-11 ВвС Фундаментальные законы и понятияэлектротехники

Законы электродинамики.

ЗаконКулона, Ампера. Закон Джоуля – Ленца.Закон Ома. Законы Кирхгофа. Закон Фарадея,электромагнитная индукция. ПравилоЛенца. Электродинамика

Электрическоеполе — однаиз составляющих электромагнитногополя; особый вид материи, существующийвокруг тел или частиц, обладающихэлектрическим зарядом, а также в свободномвиде при изменении магнитного поля(например, в электромагнитных волнах).Электрическое поле непосредственноневидимо, но может наблюдаться благодаряего силовому воздействию на заряженныетела.

Для количественногоопределения электрического поля вводитсясиловая характеристика — напряжённостьэлектрического поля.

Напряжённостьюэлектрического поля называют векторнуюфизическую величину, равную отношениюсилы, с которой поле действует наположительный пробный заряд, помещённыйв данную точку пространства, к величинеэтого заряда. Направление векторасовпадает в каждой точке пространствас направлением силы, действующей наположительный пробный заряд.

В классическойфизике, применимой при рассмотрениикрупномасштабных (больше размера атома)взаимодействий, электрическое полерассматривается как одна из составляющихединого электромагнитного поля ипроявление электромагнитноговзаимодействия.

В классическойфизике система уравнений Максвеллаописывает взаимодействие электрическогополя, магнитного поля и воздействиезарядов на эту систему полей.

Сила Лоренцаописывает воздействие электромагнитногополя на частицу.

Эффект полязаключается в том, что при воздействииэлектрического поля на поверхностьэлектропроводящей среды в еёприповерхностном слое изменяетсяконцентрация свободных носителейзаряда. Этот эффект лежит в основе работыполевых транзисторов.

Основным действиемэлектрического поля является силовоевоздействие на неподвижные (относительнонаблюдателя) электрически заряженныетела или частицы. Если заряженное телофиксировано в пространстве, то оно поддействием силы не ускоряется. Надвижущиеся заряды силовое воздействиеоказывает и магнитное поле (втораясоставляющая силы Лоренца).

Электродинамика— раздел физики, изучающий электромагнитноеполе в наиболее общем случае (то есть,рассматриваются переменные поля,зависящие от времени) и его взаимодействиес телами, имеющими электрический заряд(электромагнитное взаимодействие).

Предмет электродинамикиизучает связь электрических и магнитныхявлений, электромагнитное излучение(в разных условиях, как свободное, таки в разнообразных случаях взаимодействиис веществом), электрический ток (вообщеговоря, переменный) и его взаимодействиес электромагнитным полем (электрическийток может быть рассмотрен при этом каксовокупность движущихся заряженныхчастиц). Любое электрическое и магнитноевзаимодействие между заряженными теламирассматривается в современной физикекак осуществляющееся через посредствоэлектромагнитного поля, и, следовательно,также является предметом электродинамики.

Чаще всего подтермином электродинамика по умолчаниюпонимается классическая (не затрагивающаяквантовых эффектов) электродинамика;для обозначения современной квантовойтеории электромагнитного поля и еговзаимодействия с заряженными частицамиобычно используется устойчивый терминквантовая электродинамика.

Основные понятия,которыми оперирует электродинамика,включают в себя:

Электромагнитноеполе — этоосновной предмет изучения электродинамики,вид материи, проявляющийся привзаимодействии с заряженными телами.Исторически разделяется на два поля:

Электрическоеполе —создаётся любым заряженным телом илипеременным магнитным полем, оказываетвоздействие на любое заряженное тело.

Магнитное поле— создаётся движущимися заряженнымителами, заряженными телами, имеющимиспин, и переменными электрическимиполями, оказывает воздействие надвижущиеся заряды и заряженные тела,имеющие спин.

Электрическийзаряд — этосвойство тел, позволяющее имвзаимодействовать с электромагнитнымиполями: создавать эти поля, будучи ихисточниками, и подвергаться (силовому)действию этих полей.

Электромагнитныйпотенциал— 4-векторная физическая величина,полностью определяющая распределениеэлектромагнитного поля в пространстве.Выделяют:

Электрическийпотенциал— четырёхмерный вектор. временна́якомпонента (X,Y,Z,t)

Векторныйпотенциал— трёхмерный вектор, образованныйоставшимися компонентами четырёхмерного вектора.

Вектор Пойнтинга— векторная физическая величина, имеющаясмысл плотности потока энергииэлектромагнитного поля.

Основныеуравнения

Основнымиуравнениями, описывающими поведениеэлектромагнитного поля и его взаимодействиес заряженными телами являются:

1. УравненияМаксвелла,определяющие поведение свободногоэлектромагнитного поля в вакууме исреде, а также генерацию поля источниками.Среди этих уравнений можно выделить:

2. ТеоремаГаусса (законГаусса) для электрического поля,определяющая генерацию электростатическогополя зарядами.

Закон замкнутостисиловых линий магнитного поля(соленоидальности магнитного поля); онже — закон Гаусса для магнитного поля.

3. Закониндукции Фарадея,определяющий генерацию электрическогополя переменным магнитным полем. Открытв 1831 М Фарадеем

ЭДС индукции Ев контуре прямо пропорционален скоростиизменения во времени магнитного потокаФ через поверхность S,ограниченную контуром.

4. ЗаконАмпера — Максвелла— теорема о циркуляции магнитного поляс добавлением токов смещения, введённыхМаксвеллом, определяет генерациюмагнитного поля движущимися зарядамии переменным электрическим полем.

Сила Лоренцаопределяет силу F,действующую на заряд e,находящийся в электрическом поле Еи магнитном поле, напряженностью В,и двигающийсясо скоростьюv

c– коэффициент, зависящий от единицразмерности

Закон Джоуля —Ленца,определяющий количество теплоты,выделяющееся в проводнике с сопротивлениемRпри прохождении по нему электрическоготока силой Iза время t.

Если ток выражаетсяв амперах, сопротивление R в омах, время t в секундах, то при а=1Qвыражается в джоулях, при а= 0,239 Qвыражается в калориях.

Частными уравнениями,имеющими особое значение, являются:

Закон Кулона— в электростатике — закон, определяющийвеличину электрического поля (напряженностьи/или потенциал) точечного заряда;законом Кулона называется также формула,определяющая силу (или потенциальнуюэнергию) электростатического взаимодействиядвух точечных зарядов.

Сила взаимодействиязаряженных неподвижных тел (иливзаимодействия точечных электрическихзарядов q),размерами которых можно пренебречь посравнению с расстоянием между ними,прямо пропорциональна значениям ихзарядов qи обратно пропорциональна квадратурасстояния rмежду ними.

F = k(q1 * q2) / r2

Закон Био —Савара

Отрезок проводникадлиной Δl,по которомутечёт электрический ток величиной I,создаёт в точке М, находящейся нарасстоянии r напряжённость магнитного поля ΔН

Закон Ампера,определяет силу, действующую на проводник,помещённый в магнитное поле В,по которому протекает ток величиной I.

Δlотрезокпроводника, по которому течёт ток I;

Ввеличина магнитной индукции;

φуголмежду проводником и направлениеммагнитного поля

Ампер

Теорема Пойнтинга,выражает собой закон сохранения энергиив электродинамике.

ЗаконОма— открыт в 1826 году, это физический закон,определяющий связь между напряжением,силой тока и сопротивлением проводникав электрической цепи. Назван в честьего первооткрывателя Георга Ома.

Формулировказакона Ома

Силатока в участке цепи прямо пропорциональнанапряжению, и обратно пропорциональнаэлектрическому сопротивлению данногоучастка цепи.

Закон Ома записывается формулой: ,где: I — сила тока (А),U — напряжение (В),R — сопротивление (Ом).

Рисунок10.1

Закон Ома дляучастка электрической цепи имеет вид:

или или

где:

U— напряжение или разность потенциалов,

I— сила тока,

R— сопротивление.

Схема, иллюстрирующая три составляющие закона ОмаДиаграмма, помогающая запомнить закон Ома. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления

Рисунок10.2

ЗаконОма также применяется ко всей цепи, нов несколько изменённой форме:

,

где:

ε — ЭДС источниканапряжения,

I— сила тока в цепи,

R— сопротивление всех внешних элементовцепи,

r— внутреннее сопротивление источниканапряжения.

Источник: https://studfile.net/preview/7416494/

Основы электродинамики

Виды электродинамики

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

· Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + … +qn = const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы.

Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.

Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1).

Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке.

Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был установлен французским физиком Ш. Кулоном (1785 г.).

В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью.

Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну.

Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними.

Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Прибор Кулона.
Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

 Электрическое поле window.top.document.title = «1.2. Электрическое поле»;

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела.

Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой.

Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q < 0, то вектор направлен к заряду.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии (рис. ). При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

Силовые линии электрического поля.

Кулоновское поле точечного заряда Q удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор от заряда Q к точке наблюдения. Тогда при Q > 0 вектор параллелен а при Q < 0 вектор антипараллелен Следовательно, можно записать:

где r – модуль радиус-вектора .

В качестве примера применения принципа суперпозиции полей на рис. 1.2.3. изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и –q, расположенных на некотором расстоянии l.

Силовые линии поля электрического диполя

Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент

где – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль Диполь может служить электрической моделью многих молекул.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H2O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105° (рис. 1.2.4). Дипольный момент молекулы воды p = 6,2·10–30 Кл · м.

. Дипольный момент молекулы воды.

Во многих задачах электростатики требуется определить электрическое поле по заданному распределению зарядов. Пусть, например, нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити (рис. 1.2.5) на расстоянии R от нее.

Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с зарядом τΔx, где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей Результирующее поле оказывается равным

Вектор везде направлен по радиусу Это следует из симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля по заданному распределению зарядов приводит к громоздким математическим расчетам. В ряде случаев можно значительно упростить расчеты, если воспользоваться теоремой Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/20_42038_osnovi-elektrodinamiki.html

Booksm
Добавить комментарий