Das Elektrodynamik Es ist der Zweig der Physik, der sich mit allem befasst, was mit der Bewegung elektrischer Ladungen zu tun hat. Beschreiben Sie die zeitliche Entwicklung eines Satzes von N Partikeln mit Masse und elektrischer Ladung, deren Ausgangsposition und Geschwindigkeit bekannt sind..
Wenn es sich um eine große Menge von Partikeln handelt Schwung klein, seine Bewegung und die Wechselwirkungen, die zwischen ihnen stattfinden, werden makroskopisch durch die klassische Elektrodynamik beschrieben, die Newtons Bewegungsgesetze und Maxwells Gesetze verwendet.
Und wenn der Impuls der Teilchen groß und die Anzahl der Teilchen klein ist, müssen die relativistischen und Quanteneffekte berücksichtigt werden..
Das Hinzufügen relativistischer und Quanteneffekte zur Untersuchung des Systems hängt von der Energie der Photonen ab, die während der Wechselwirkung beteiligt sind. Photonen sind Teilchen ohne Ladung oder Masse (für praktische Zwecke), die ausgetauscht werden, wenn eine elektrische Anziehung oder Abstoßung vorliegt.
Wenn der Impuls der Photonen im Vergleich zum Impuls des Systems klein ist, reicht die klassische Beschreibung aus, um die Charakterisierung dieses zu erhalten.
Artikelverzeichnis
Die Gesetze, die die Dynamik geladener Teilchen beschreiben, wurden zwischen dem Ende des 18. Jahrhunderts und der Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt, als das Konzept des elektrischen Stroms als Ergebnis der experimentellen und theoretischen Arbeit vieler Wissenschaftler entstand..
Der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) stellte zu Beginn des 19. Jahrhunderts den ersten Voltaikpfahl her. Damit erhielt er einen Gleichstrom, dessen Auswirkungen sofort untersucht wurden.
Der Zusammenhang zwischen bewegten elektrischen Ladungen und Magnetismus wurde bei den Experimenten des Physikers Hans Christian Oersted (1777-1851) im Jahr 1820 aufgedeckt. Dabei wurde beobachtet, dass ein elektrischer Strom die Kompassnadel auf die gleiche Weise wie Magnete bewegen konnte.
Es war André Marie Ampere (1775-1836), der in mathematischer Form die Verbindung zwischen Strom und Magnetismus durch das Gesetz herstellte, das seinen Namen trägt.
Gleichzeitig untersuchte Georg Simon Ohm (1789-1854) quantitativ, wie Materialien Elektrizität leiten. Er entwickelte auch das Konzept des elektrischen Widerstands und seine Beziehung zu Spannung und Strom durch das Ohmsche Gesetz für Schaltkreise.
Michael Faraday (1791-1867) fand einen Weg, durch die Relativbewegung zwischen der Quelle des Magnetfelds und einem geschlossenen Stromkreis einen Strom zu erzeugen.
Einige Zeit später schuf der Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) eine Theorie für den Elektromagnetismus, die alle entdeckten Gesetze vereinheitlichte und die bis dahin bekannten Phänomene erklärte.
Darüber hinaus sagte Maxwell durch seine Gleichungen mehrere Effekte voraus, die später bestätigt wurden. Als beispielsweise Heinrich Hertz (1857-1894), Entdecker von Radiowellen, bestätigte, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegten.
Mit dem Aufkommen der Relativitätstheorie zu Beginn des 20. Jahrhunderts war es möglich, das Verhalten von Teilchen mit Geschwindigkeiten nahe der des Lichts zu erklären, während die Quantenmechanik die Elektrodynamik verfeinerte, indem sie das Konzept des Spins einführte und damit den Ursprung erklärte des Magnetismus in der Materie.
Die Elektrodynamik basiert auf vier Gesetzen, die separat bekannt sind: Coulombsches Gesetz, Gaußsches Gesetz, Ampere-Gesetz und Faradaysches Gesetz..
Diese vier Gesetze sowie das daraus abgeleitete Prinzip der Ladungserhaltung und das Lorentz-Kraftgesetz beschreiben, wie elektrische Ladungen aus klassischer Sicht interagieren (ohne das Photon als Mediator zu betrachten)..
Wenn die Geschwindigkeit der Teilchen nahe an der des Lichts liegt, ändert sich ihr Verhalten und es ist notwendig, der klassischen Theorie relativistische Korrekturen hinzuzufügen, die sich aus Albert Einsteins Relativitätstheorie ableiten (relativistische Elektrodynamik).
Und wenn die Skala der zu untersuchenden Phänomene die atomare Skala oder kleiner ist, gewinnen die Quanteneffekte an Relevanz, wodurch die Quantenelektrodynamik.
Die für das Studium der Elektrodynamik notwendige Mathematik ist Vektoralgebra und Vektorrechnung, da elektrische und magnetische Felder Entitäten vektorischer Natur sind. Skalarfelder wie elektrisches Potential und magnetischer Fluss sind ebenfalls beteiligt.
Die mathematischen Operatoren für die Ableitungen von Vektorfunktionen sind:
Für die Lösung der Maxwellschen Gleichungen sind Koordinatensysteme erforderlich. Zusätzlich zu den kartesischen Koordinaten ist die Verwendung von Zylinderkoordinaten und sphärischen Koordinaten üblich..
In der Integration erscheinen die Sätze von Green, Stokes und der Divergenzsatz.
Schließlich gibt es eine Funktion namens Dirac Delta, Dies wird durch seine Eigenschaften definiert und ist sehr nützlich, um Lastverteilungen auszudrücken, die auf eine bestimmte Dimension beschränkt sind, beispielsweise eine lineare Oberflächenverteilung, einen Punkt oder eine Ebene.
Der Ursprung elektromagnetischer Wellen liegt in elektrischen Ladungen, deren Bewegung beschleunigt wird. Ein zeitlich variierender elektrischer Strom erzeugt ein elektrisches Feld, das durch die Vektorfunktion beschrieben wird UND(x, y, z, t) und erzeugt wiederum ein Magnetfeld B. (x, y, z, t).
Diese Felder bilden zusammen das elektromagnetische Feld, in dem das elektrische Feld das Magnetfeld erzeugt und umgekehrt..
Wenn elektrische Ladungen statisch sind, gibt es eine elektrostatische Anziehung oder Abstoßung zwischen ihnen, während die magnetische Wechselwirkung aus der Bewegung der Ladungen entsteht..
Die vier Maxwell-Gleichungen beziehen jedes Feld auf seine Quelle und bilden zusammen mit der Lorentz-Kraft die theoretische Grundlage der Elektrodynamik..
Der elektrische Feldfluss, der ein von der geschlossenen Oberfläche S eingeschlossenes Volumen hinterlässt, ist proportional zur darin eingeschlossenen Nettoladung:
Wo dZU ist ein Flächendifferential und k ist die elektrostatische Konstante. Dieses Gesetz ist eine Konsequenz des Coulombschen Gesetzes für die Kraft zwischen elektrischen Ladungen.
Der Magnetfeldfluss durch ein durch eine geschlossene Oberfläche S begrenztes Volumen ist Null, da die magnetischen Monopole nicht existieren.
Folglich ist die Anzahl der in S eintretenden Feldlinien gleich der Anzahl der austretenden Linien, wenn ein Magnet in einem durch S begrenzten Volumen eingeschlossen ist:
Michael Faraday entdeckte, dass die Relativbewegung zwischen einer geschlossenen Metallschleife C und einem Magneten einen induzierten Strom erzeugt. Die induzierte Spannung (elektromotorische Kraft) εind, Der diesem Strom zugeordnete Strom ist proportional zur zeitlichen Ableitung des Magnetflusses ΦB. das durchquert den durch die Schleife begrenzten Bereich:
Das Minuszeichen ist das Lenzsche Gesetz, das besagt, dass die induzierte Spannung der Änderung des Flusses, der sie erzeugt, entgegenwirkt. Die induzierte elektromotorische Kraft ist jedoch das Linienintegral des elektrischen Feldes entlang des geschlossenen Weges C, daher:
Die Zirkulation des Magnetfeldes auf einer Kurve C ist proportional zum Gesamtstrom, den die Kurve einschließt. Dazu gibt es zwei Beiträge: den Leitungsstrom I und den Verschiebungsstrom, der durch die zeitliche Änderung des elektrischen Flusses Φ verursacht wirdUND::
Wobei μoder und εoder sind konstant, der erste ist der Vakuumpermeabilität und der zweite der elektrische Permittivität des Vakuums.
Maxwells Gleichungen beschreiben die Beziehung zwischen UND, B. und ihre jeweiligen Quellen, aber die Dynamik einer elektrischen Ladung wird durch das Lorentz-Gesetz oder die Lorentz-Kraft beschrieben.
Sie weist darauf hin, dass die Gesamtkraft auf eine Last wirkt Was das bewegt sich mit Geschwindigkeit v mitten in einem elektrischen Feld UND und ein Magnetfeld B. (nicht produziert von Was) ist gegeben durch:
F. = qUND + Wasv x B.
Die Ladungen in geordneter Bewegung stellen einen elektrischen Strom dar, der Energie erzeugen kann, um nützliche Arbeit zu leisten: Glühbirnen anzünden, Motoren bewegen, kurz gesagt, zahlreiche Geräte starten..
Die Elektrodynamik ermöglicht die Übertragung elektrischer Energie durch Wechselstrom von entfernten Orten, an denen Energie umgewandelt und erzeugt wird, zu Städten, Industrien und Haushalten.
Die Elektrodynamik zielt auf die Untersuchung von Ladungen in Bewegung ab und ist die physikalische Grundlage der Elektronik. Sie befasst sich mit der Entwicklung von Geräten, die über elektronische Schaltungen den Fluss elektrischer Ladungen nutzen, um elektromagnetische Signale mit Informationen zu erzeugen, zu senden, zu empfangen und zu speichern.
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