Основные законы электродинамики кратко

Обновлено: 02.07.2024

Электродинамика считается важной частью физики. В ней разбираются варианты использования магнетизма и электроэнергии. Эти два направления базируются на законах, которые были открыты учеными довольно давно. Сейчас законы электродинамики используются повсеместно. Каждый день люди сталкиваются с применением многих ее разделов. К примеру: транспортное средство, электрический ток, само электричество и так далее.

Большинство граждан не задаются вопросом, насколько важны в реальной жизни все открытия электродинамики. Магнетизм, так же как и свет, - постоянное явление в нашей жизни. В основном, мы соприкасаемся с магнитным полем, которое окружает людей. Магниты применяются в разных электрических и приборах.

Электродинамика: понятие и предмет изучения

Определение общего типа. Электродинамика – это часть физики, которая анализирует электромагнитное явление, а также его соприкосновение с теми телами, которые имеют электрический заряд.

Раздел электродинамики несет в себе изучение: связь различных явлений; электромагнитного излучения, которое проверяется в разных условиях; электрического переменного тока; соприкосновение тока с полем электромагнитного типа.

Любое магнитный и электрический контакт между заряженными частями изучается в физике как действие, которое выполняется при помощи электромагнитного поля, а значит, также считается предметом электродинамики.

История возникновения электродинамики

Связь различных явлений изначально была доказана в процессе эксперимента и открытия, которое осуществил Эрстед в 1820 году. Он озвучил идею о порождении и взаимной связи различных процессов в пространстве, но довольно в сложной формулировке.

Майкл Фарадей в 1831 году в процессе эксперимента выявил закон электромагнитной индукции, который стал первичным свидетельством динамической взаимосвязи магнитного и электрического поля. Подходит к этим полям, он также продумал концепции физического поля и основные представления в теории, которые помогают охарактеризовать поля. В 1832 году он еще разобрал существование электромагнитных волн.

Максвелл через тридцать лет выпустил впервые полноценную систему уравнений стандартной электрической динамики, которая полностью объясняла эволюцию электромагнитного поля, а также его соприкосновение с токами и зарядами. Он озвучил идею о том, что свет – это электромагнитная волна, то есть объект электрической динамики.

После этого Лоренц внес свою лепту в развитие классической электродинамики, охарактеризовав при этом взаимную связь электромагнитного поля с передвигающимися заряженными частицами. Благодаря этому он открыл преобразование Лоренца. Также он впервые обнаружил, что электродинамические уравнения могут противоречить ньютоновской физике.

В середине двадцатого века была разработана квантовая электродинамика. Именно она является самой верной теорией в физике, которая стала образцом и основой для всех последующих концепций.

Основные законы электростатики

Электростатика – это необычная часть электродинамики, которая рассматривает неподвижные заряды электричества. Электромагнитные силы играют важную роль в природе благодаря тому, что сформированы они из электрически заряженных частей. Между телами действие электромагнитных сил не обнаружено. По-разному заряженные части соединяются между собой электрическими силами, формируя при этом нейтральные подсистемы. Все это важно помнить, чтобы разбираться в основах физики.

Главными моделями электростатики можно считать:

Закон сохранения заряда электричества. В момент электризации тел выявляется закон сохранения заряда электричества. Этот закон подходит для замкнутой системы. Его справедливость подтверждается наблюдением за огромным количеством превращений простых частиц.
Закон Кулона. Важной частью электростатики считается выявленный в процессе эксперимента закон Шарля Кулона, что был рассмотрен в 1785 году.

История формирования этого закона начинается намного раньше. Закон кулона – это один из путей, по которому проходит физика.

Электродинамика является основным разделом физики. В ней рассматриваются варианты применения магнетизма и электричества. Эти два направления основаны на законах, которые были открыты учеными в разное время. На сегодняшний день законы электродинамики применяются практически везде. Каждый день человек сталкивается с применением многих ее разделов. Например: транспорт, электрический ток, само электричество и много другого.

Большинство людей даже и не задумываются, насколько важны в современной жизни все открытия электродинамики. Магнетизм, так же как и электричество, - повседневное явление повседневной жизни. Чаще всего мы сталкиваемся с магнитным полем, которое окружает человека повсюду. Магниты используются в различных электрических и радиоприборах.

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

Электродинамика: понятие и предмет изучения

Электродинамика – это раздел физики, который изучает электромагнитное поле (временные поля, которые зависят от времени), а также его взаимодействие с теми телами, что имеют электрический заряд.

Предмет электродинамики включает в себя изучение:

связи магнитных и электрических явлений;
электромагнитного излучения, которое рассматривается в различных условиях (как свободное взаимодействие с веществом);
электрического переменного тока;
взаимодействие тока с электромагнитным полем (электрический ток может рассматриваться как совокупность заряженных частиц).

Любое магнитное и электрическое взаимодействие между заряженными частицами изучается в физике как действие, которое осуществляется посредством электромагнитного поля, следовательно, также является предметом электродинамики.

Готовые работы на аналогичную тему

История возникновения электродинамики

Связь магнитных и электрических явлений впервые была доказана в ходе экспериментального открытия, которое осуществил Эрстед в 1820 году. Он высказал идею о порождении и взаимосвязи магнитных и электрических процессов в пространстве, но довольно не в ясной форме.

Майкл Фарадей в 1831 году в ходе эксперимента открыл закон электромагнитной индукции, который стал первым свидетельством динамической взаимосвязи магнитного и электрического поля. Применимо к этим полям он также разработал концептуальные основы физического поля и базовые теоретические представления, которые позволяют описывать физические поля. В 1832 году он также выявил существование электромагнитных волн.

Дж. К. Максвелл в 1864 году опубликовал впервые полную систему уравнений традиционной электродинамики, которая подробно описывала эволюцию электромагнитного поля, а также его взаимодействие с токами и зарядами. Он высказал предположение о том, что свет – это электромагнитная волна, то есть объект электродинамики.

Лоренц в 1895 году внес ощутимый вклад в развитие традиционной электродинамики, описав при этом взаимодействие электромагнитного поля с движущимися заряженными частицами. Благодаря этому он вывел преобразование Лоренца. Также он первым заметил, что электродинамические уравнения противоречат ньютоновской физике.

В середине XX столетия была создана квантовая электродинамика. Именно она является наиболее точной физической теорией, которая служит образцом и фундаментом для всех нынешних теоретических построений в физике элементарных частиц.

Рисунок 2. Законы электродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Основные законы электростатики

Электростатика – это раздел электродинамики, который изучает неподвижные электрические заряды. Электромагнитные силы играют очень значимую роль природе благодаря тому, что состоят они из электрически заряженных частиц. Между телами действие электромагнитных сил не обнаруживается, поскольку в обычном состоянии они нейтральны. Отрицательно и положительно заряженные частицы связываются между собой электрическими силами, образуя при этом нейтральные системы.

Закон Кулона:
сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности в этом законе

В СИ коэффициент k записывается в виде

где ε₀ = 8, 85 · 10 −12 Ф/м (электрическая постоянная).

В электрическом поле работа не зависит от формы траектории, по которой перемещается заряд. Из механики известно, что если работа не зависит от формы траектории, то она равна изменению потенциальной энергии с противоположным знаком:

Отсюда следует, что

Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

Запишем работу поля в виде

Здесь U = ϕ₁ − ϕ₂ — разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории. Разность потенциалов называют также напряжением

Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением

3.2. Электроёмкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля

Электроёмкостью тела называют величину отношения

Формула для подсчёта ёмкости плоского конденсатора имеет вид:

где S — площадь обкладок, d — расстояние между ними.
Конденсаторы можно соединять в батареи. При параллельном соединении ёмкость батареи C равна сумме ёмкостей конденсаторов:

Разности потенциалов между обкладками одинаковы, а заряды прямо пропорциональны ёмкостям.
При последовательном соединении величина, обратная ёмкости батареи, равна сумме обратных ёмкостей, входящих в батарею:

Заряды на конденсаторах одинаковы, а разности потенциалов обратно пропорциональны ёмкостям.
Заряженный конденсатор обладает энергией. Энергию заряженного конденсатора можно подсчитать по любой из следующих формул:

3.3. Основные понятия и законы постоянного тока

Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:

Закон Ома для участка цепи имеет вид:

Коэффициент пропорциональности R, называемый электрическим сопротивлением, является характеристикой проводника [R]=Ом. Сопротивление проводника зависит от его геометрии и свойств материала:

где l — длина проводника, ρ — удельное сопротивление, S — площадь поперечного сечения. ρ является характеристикой материала и его состояния. [ρ] = Ом·м.
Проводники можно соединять последовательно. Сопротивление такого соединения находится как сумма сопротивлений:

При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:

Для того чтобы в цепи длительное время протекал электрический ток, в составе цепи должны содержаться источники тока. Количественно источники тока характеризуют их электродвижущей силой (ЭДС). Это отношение работы, которую совершают сторонние силы при переносе электрических зарядов по замкнутой цепи, к величине перенесённого заряда:

Если к зажимам источника тока подключить нагрузочное сопротивление R, то в получившейся замкнутой цепи потечёт ток, силу которого можно подсчитать по формуле

Это соотношение называют законом Ома для полной цепи.

Электрический ток, пробегая по проводникам, нагревает их, совершая при этом работу

где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.

Закон Джоуля-Ленца:

3.4. Основные понятия и законы магнитостатики

Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:

Единица магнитной индукции называется тесла (1 Тл)

Магнитным потоком Φ через поверхность контура площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь этой поверхности и на косинус угла между вектором магнитной индукции ➛B и нормалью к поверхности ➛n:

Единицей магнитного потока является вебер (1 Вб).
На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила Ампера

Закон Ампера:
на отрезок проводника с током силой I и длиной l, помещённый в однородное магнитное поле с индукцией ➛B , действует сила, модуль которой равен произведению модуля вектора магнитной индукции на силу тока, на длину участка проводника, находящегося в магнитном поле, и на синус угла между направлением вектора ➛B и проводником с током:

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали бы направление тока, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера.
На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Модуль силы Лоренца, действующей на положительный заряд, равен произведению модуля заряда на модуль вектора магнитной индукции и на синус угла между вектором магнитной индукции и вектором скорости движущегося заряда:

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца, действующей на заряд. Для отрицательно заряженной частицы сила Лоренца направлена против направления большого пальца.

3.5. Основные понятия и законы электромагнитной индукции

Энергию магнитного поля тока можно подсчитать по формуле

где L — индуктивность проводника, создающего поле; I — ток, текущий по этому проводнику

3.6. Электромагнитные колебания и волны

Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).

Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой

Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:

Если в LC-контур последовательно с L, C и R включить источник переменного напряжения, то в цепи возникнут вынужденные электрические колебания. Такие колебания принято называть переменным электрическим током
В цепь переменного тока можно включать три вида нагрузки — конденсатор, резистор и катушку индуктивности.

Конденсатор оказывает переменному току сопротивление, которое можно посчитать по формуле

Ток, текущий через конденсатор, по фазе опережает напряжение на π/2 или на четверть периода, а напряжение отстаёт от тока на такой же фазовый угол.

Катушка индуктивности оказывает переменному току сопротивление, которое можно посчитать по формуле

Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:

Если K > 1, трансформатор понижающий, если K

Электродинамика – это раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае и его воздействие с телами, имеющими электрический заряд. Во второй половине 19 века Максвелл сформулировал четыре основных закона электродинамики, записав их в виде уравнений:

Принцип относительности Галилея – все законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Система отсчёта называется инерциальной, если её тело не испытывает внешние воздействия.

Для ответа на выше поставленные вопросы нужно было исследовать различия основных законов электродинамики в нескольких инерциальных системах отсчёта. Лишь при отсутствии каких-либо изменений можно было искоренить все сомнения по поводу распространения принципа относительности к электродинамике.

Сложность законов электродинамики очевидна каждому, а, следовательно, – произвести строгое решение поставленной задачи столь же трудно. Поэтому рациональнее было применить простые рассуждения по этой теме.

Принципы электродинамики гласят о неизменности общей скорости распространения электрических и магнитных волн в вакууме. Это же утверждение можно рассмотреть со стороны закона сложения скоростей механики Ньютона.

Закон сложения скоростей – скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы отсчёта и скорости подвижной системы отсчёта относительно неподвижной системы отсчёта.

В этом случае скорость может быть равна скорости света только в одной системе отсчёта, что означает необходимость в изменении принципов относительности. Всё это создаёт очевидное противоречие между классической механикой и электродинамикой. Было решило предпринять три разные попытки решить эту проблему:

Склониться к невозможности применения принципа относительности к электромагнитным явлениям (Х. Лоренц);
Считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их под закон относительности Галилея (Г. Герц);
Отказаться от классических представлений о пространстве и времени (А. Эйнштейн).

Позже стало известно, что правдивой является только третья гипотеза. Остальные исследования провалились ещё на стадии проведения опытов. Эйнштейн продолжил исследования в этой области, и применение закона относительности к принципам электродинамики стало возможным, когда учёные полностью поменяли представления о пространстве и времени.

Читайте также: