Elektrodynamikk

Vi forklarer hva elektrodynamikk, dens historie, grunnlag, hovedlover og applikasjoner er

Hva er elektrodynamikk?

De Elektrodynamikk Det er grenen av fysikk som deltar på alt relatert til bevegelse av elektriske ladninger. Beskriv hva evolusjonen i tidspunktet for et sett med N -partikler med masse og elektrisk ladning er, hvorav dens opprinnelige posisjon og hastighet er kjent.

Hvis det er et stort sett med partikler med Momentum Liten, deres bevegelse og interaksjonene som foregår mellom dem, beskrives makroskopisk gjennom klassisk elektrodynamikk, som benytter seg av Newtons lover i Maxwell -bevegelsen og lovene.

Og hvis partikkelmomentet er stort og antall partikler er lite, må de relativistiske og kvanteeffektene tas i betraktning.

Legg til relativistiske og kvanteeffekter til studiet av systemet avhenger av energien til fotonene som er involvert under interaksjonen. Fotoner er partikler uten belastning eller masse (for praktiske formål) som utveksles når det er en attraksjon eller elektrisk frastøtning.

Hvis fotonsens momentum er lite, sammenlignet med systemets momentum, er den klassiske beskrivelsen tilstrekkelig til å oppnå karakteriseringen av dette.

Kort elektrodynamikkhistorie

Lovene som beskriver dynamikken til ladede partikler ble oppdaget mellom slutten av det 18. og midten av det nittende århundre, når begrepet elektrisk strøm oppstår, som et resultat av det eksperimentelle og teoretiske arbeidet til mange forskere.

Den italienske fysikeren Alessandro Volta (1745-1827) produserte den første voltaiske haugen ved begynnelsen av det nittende århundre. Med det oppnådde han en kontinuerlig strøm, hvis effekter begynte å bli studert umiddelbart.

Alessandro Volta -illustrasjon

Koblingen mellom bevegelige elektriske ladninger og magnetisme ble avslørt med eksperimentene til fysikeren Hans Christian Oersted (1777-1851) i 1820. I dem ble det observert at en elektrisk strøm var i stand til å bevege kompassnålen på samme måte som magnetene.

Det var André Marie Ampere (1775-1836) som etablerte på matematisk måte koblingen mellom nåværende og magnetisme, gjennom loven som bærer navnet hans.

Samtidig studerte Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitativt hvordan materialene gjennomfører strøm. Han utviklet også begrepet elektrisk motstand og dets forhold til spenning og strøm, gjennom Ohms lov for kretsløp.

Det kan tjene deg: Stasjonær statsteori: Historie, forklaring, nyheter

Michael Faraday (1791-1867) fant en måte å generere en strøm gjennom den relative bevegelsen mellom magnetfeltkilden og en lukket krets.

En tid senere skapte fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879) en teori for elektromagnetisme som forenet alle lovene som ble oppdaget, og forklarte fenomenene som er kjent til da.

I tillegg, gjennom ligningene, spådde Maxwell flere effekter som senere ble bekreftet. For eksempel, når Heinrich Hertz (1857-1894), bekreftet oppdager av radiobølger, at de beveget seg med lysets hastighet.

Med fremkomsten av relativitetsteorien, på begynnelsen av 1900 -tallet, var det mulig å forklare atferden til partikler med hastigheter nær lys. I mellomtiden raffinerte kvantemekanikk foredlet elektrodynamikk ved å introdusere begrepet spinn og forklare magnetismens opprinnelse i saken.

Elektrodynamikkens grunnleggende

Elektrodynamikk omhandler å studere bevegelige belastninger

Elektrodynamikk er basert på fire lover, som er kjent som: Coulombs lov, Gauss Law, Ampere Law og Faraday Law.

Disse fire lovene, pluss prinsippet om bevaring av belastningen, som stammer fra dem og loven om Lorentz -styrken, beskriver hvordan elektriske kostnader samhandler fra det klassiske synspunktet (uten å vurdere fotonet som en mekler).

Hvis hastigheten på partiklene er nær lysets lys, blir dens oppførsel modifisert og det er nødvendig å legge til klassisk teori noen relativistiske korreksjoner som stammer fra teorien om relativitet til Albert Einstein (relativistisk elektrodynamikk).

Og når omfanget av fenomenene for å studere er den atomiske eller mindre skalaen, får kvanteeffektene relevant, noe som gir opphav til Kvantelektrodynamikk.

Matematiske grunnleggende om elektrodynamikk

Matematikken som er nødvendig for studiet av elektrodynamikk, er vektoralgebra og vektorberegning, siden de elektriske og magnetiske felt er enheter i en vektor natur. Skalarfelt deltar også, for eksempel elektrisk potensial og magnetisk fluks.

Kan tjene deg: Geometrisk optikk: Hvilke studier, lover, applikasjoner, øvelser

Matematiske operatører for de som er avledet fra vektorfunksjoner er:

• Gradient.
• Divergens.
• Rotasjon.
• Laplaciano.

Koordinatsystemer er nødvendige for oppløsning av Maxwell. I tillegg til kartesiske koordinater, er bruken av sylindriske koordinater og sfæriske koordinater hyppig.

I integrasjon vises teoremene til grønt, stokes og divergenssteoremet.

Endelig er det en funksjon som heter Dirac Delta, som er definert gjennom dens egenskaper og er veldig nyttig for å uttrykke ladefordelinger begrenset til en vis.

Elektromagnetiske bølger

Opprinnelsen til elektromagnetiske bølger er i elektriske belastninger hvis bevegelse er akselerert. En variabel elektrisk strøm i tid, produserer et elektrisk felt, beskrevet av vektorfunksjonen OG (x, y, z, t) og produserer på sin side et magnetfelt B (X, y, z, t).

Disse feltene er kombinert for å danne det elektromagnetiske feltet, der det elektriske feltet har sin opprinnelse til magnetfeltet og omvendt.

Elektrodynamiske lover

Når elektriske ladninger er statiske, er det blant dem elektrostatisk tiltrekning eller frastøtning, mens magnetisk interaksjon oppstår fra bevegelsens bevegelse.

Maxwells fire ligninger forholder hvert av feltene til kilden, og sammen med Lorentzs styrke utgjør de det teoretiske grunnlaget for elektrodynamikk.

Minnesplakett med Maxwells ligninger (når det gjelder differensialoperatører), som er en del av statuen som er reist i byen Edinburgh til ære. Kilde: Wikimedia Commons.

Gauss lov

Den elektriske feltstrømmen som kommer ut av et volum omsluttet av den lukkede overflaten, er proporsjonal med nettlasten som er omsluttet i den:

Hvor dTIL Det er et områdeforskjell og k Det er den elektrostatiske konstanten. Denne loven er en konsekvens av Coulomb -loven for makt mellom elektriske anklager.

Gauss Law of Magnetism

Magnetfeltet strømmer gjennom et volum avgrenset av en lukket overflate er null, fordi magnetiske monopoler ikke eksisterer.

Følgelig, så lenge en magnet er innesperret i et volum avgrenset av S, er antall feltlinjer til S lik antall linjer som kommer ut:

Kan tjene deg: spakarm

Faraday Law

Michael Faraday oppdaget at den relative bevegelsen mellom en lukket metallspase C og en magnet genererer en indusert strøm. Indusert spenning (elektromotorisk kraft) ε_ind, Tilknyttet denne strømmen er den proporsjonal med det midlertidige derivatet av magnetfluksen φ_B Det krysser området avgrenset av La Espira:

Det mindre tegnet er Lenzs lov, som indikerer at den induserte spenningen motsetter seg endringen i strømmen som produserer den. Men den induserte elektromotoriske kraften er den integrerte linjen til det elektriske feltet langs den lukkede veien C, derfor:

Ampere-Maxwell Law

Sirkulasjonen av magnetfeltet på en C -kurve er proporsjonal med den totale strømmen som omslutter kurven. Det er to bidrag til det: ledningsstrømmen I og forskyvningsstrømmen som stammer fra variasjonen i tidspunktet for den elektriske strømmen φ_OG:

Hvor μ_enten og ε_enten De er konstante, den første er den Vakuumpermeabilitet og den andre den Elektrisk mulighet.

Lorentz Law

Maxwells ligninger beskriver forholdet mellom OG, B og deres respektive kilder, men dynamikken i en elektrisk ladning er beskrevet av Lorentzs lov eller Lorentzs lov.

Hun påpeker at den totale kraften som virker på en byrde q som beveger seg med hastighet v Midt i et elektrisk felt OG og et magnetfelt B (ikke produsert av q) er gitt av:

F = qOG + qv x B

Elektrodynamiske applikasjoner

Bestilt bevegelige belastninger utgjør en elektrisk strøm, som er i stand til å generere energi for å gjøre nyttig arbeid: lyspærer, flytte motorer, kort sagt, start mange enheter.

Elektrisk strømfordeling

Elektrodynamikk muliggjør overføring av strøm, gjennom vekselstrøm, fra fjerne steder der energi transformeres og genereres, til byer, næringer og husholdninger.

Elektronikk

Å ha som mål studiet av bevegelige belastninger, er elektrodynamikk det fysiske grunnlaget for elektronikk, som omhandler designapparater som gjennom elektroniske kretsløp benytter seg av strømmen av elektriske belastninger for å generere, overføre, motta, motta og lagre elektromagnetiske signaler som Inneholder informasjon.

Referanser

1. Cosenza, m. Elektromagnetisme. Andes universitet.
2. Díaz, r. Elektrodynamikk: Klassenotater. National University of Colombia.
3. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 6. Elektromagnetisme. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klassisk elektodynamikk. 3. Ed. Wiley.
5. Tarazona, ca. Introduksjon til elektrodynamikk. Redaksjonell universitet Manuela Beltrán.