Что изучает электродинамика кратко

Обновлено: 30.06.2024

ЭЛЕ́КТРОДИНА́МИКА классическая, раздел физики, изучающий электромагнитное поле, осуществляющее электромагнитное взаимодействие . Законы классич. макроскопич. Э. сформулированы в Максвелла уравнениях , которые позволяют определять значения параметров электромагнитного поля – напряжённости электрич. поля E и магнитной индукции B – в вакууме и макроскопич. телах в зависимости от распределения в пространстве электрич. зарядов и токов. Взаимодействие неподвижных электрич. зарядов описывается уравнениями электростатики , которые являются следствиями уравнений Максвелла. Микроскопич. электромагнитное поле, создаваемое отд. заряженными частицами, в классич. Э. определяется Лоренца – Максвелла уравнениями, которые лежат в основе классич. статистич. теории электромагнитных процессов в макроскопич. телах; усреднение этих уравнений приводит к уравнениям Максвелла.

Изучение природы этого взаимодействия приведет нас к одному из самых фундаментальных понятий физики - электромагнитному полю.

Электродинамика - это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Среди четырех типов взаимодействий, открытых наукой, - гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых (слабые взаимодействия вызывают превращения элементарных частиц) - именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений.

В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных сил.
Это силы упругости, трения, силы мышц.

Электромагнитные взаимодействия позволяют видеть книгу, которую вы читаете, так как свет - одна из форм электромагнитного поля.
Сама жизнь немыслима без этих сил.

Живые существа и даже человек, как показали полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения не оказывают никакого влияния на жизнедеятельность организмов, а только обеспечивают их движение по определенной орбите вокруг Земли.

В состоянии невесомости, например, внутренние органы человека не оказывают давления друг на друга, как это происходит, когда он находится на Земле.
Тем не менее, человек спокойно существует в этих условиях.
Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь.

При взаимодействии частиц в самых малых системах природы - в атомных ядрах - и при взаимодействии космических тел электромагнитные силы играют важную роль.
В то же время сильные и слабые взаимодействия определяют процессы только в очень малых масштабах, а гравитационные - только в космических (по крайней мере одно из тел должно иметь космические размеры).

Расстояния, на которых обнаруживаются сильные взаимодействия, имеют порядок 10 -12 cм.
Слабые взаимодействия проявляются на еще мменьших расстояниях, не превышающих 10 -16 см.

Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование макроскопических тел определяются электромагнитными силами.
Трудно, почти невозможно указать явления, которые не были бы связаны с действием электромагнитных сил.

К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шерсть, притягивать легкие предметы и кончая гипотезой великого английского ученого Джеймса Клерка Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лишь во второй половине XIX в., после создания электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений.
Изобретение радио А.С.Поповым (1859-1906) и Г. Маркони (1874-1937) - одно из важнейших применений принципов новой теории.

При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим применениям.
Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.

Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на всем земном шаре.
Современная цивилизация немыслима без электрического тока.

Телевизоры, компьютеры, электроплиты и многое другое, что кажется для нас естественным и привычным, образуют своеобразную среду обитания, об истоках которой мы не задумываемся.
Нам кажется, что это существовало вечно.
Однако это далеко не так и стоит задуматься, что любой прибор, которым мы пользуемся, работает на основе того или иного физического закона.

Наша задача состоит в изучении основных законов электромагнитных взаимодействий, а также в знакомстве с основными способами получения электрической энергии и использования ее на практике.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Электростатика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Часто электромагнитное поле делят на электрическое и магнитное поле. Свойства электромагнитных полей, принципы их взаимодействия изучает особый раздел физики, который называют электродинамикой. В самой электродинамике выделяют следующие разделы:

электростатику;
магнитостатику;
электродинамику сплошной среды;
релятивистскую электродинамику.

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

Классическая электродинамика в 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. Согласно Максвеллу имеется два механизма возникновения магнитного поля. Это наличие токов проводимости (перемещающийся электрический заряд) и переменное во времени электрическое поле (наличие токов смещения).

Уравнения Максвелла

Основные законы классической электродинамики (система уравнений Максвелла) является результатом обобщения экспериментальных данных и стали квинтэссенцией электродинамики неподвижной среды. Уравнения Максвелла делят на структурные и материальные. Структурные уравнения записывают в двух видах: в интегральном и дифференциальном виде. Запишем уравнения Максвелла в дифференциальном виде (система СИ):

$rot\ \overline<E> =-\frac<\partial \overline> <\partial t>\qquad (1)$

где " width="15" height="16" />
– вектор напряженности электрического поля; " width="16" height="16" />
– вектор магнитной индукции.

$rot\ \overline<H> =\overline+\frac<\partial \overline<D>><\partial t>\ \qquad (2)$

где " width="18" height="16" />
— вектор напряженности магнитного поля;" width="17" height="16" />
– вектор диэлектрического смещения; " width="10" height="20" />
– вектор плотности тока.

$div\ \overline<D> =\rho \ \qquad (3)$

где – плотность распределения электрического заряда.

$div\ \overline =0\ \qquad (4)$

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

$\overline<E> Систему структурных уравнений Максвелла дополняют материальными уравнениями, которые отражают связь векторов , \overline,\ \overline, \overline,$
c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.

$\overline<D> =\varepsilon _0\overline \qquad (5)$

$\overline =\mu <\mu >_0\overline \qquad (6)$

$\overline<j> =\gamma \overline \qquad (7)$

где – относительная диэлектрическая проницаемость, – относительная магнитная проницаемость, — удельная электропроводность, _0" width="16" height="11" />
– электрическая постоянная, _0" width="18" height="12" />
– магнитная постоянная. Среда в таком случае считается изотропной, неферромагнитной, несегнетоэлектрической.

Примеры решения задач

Задание	Запишите систему структурных уравнений Максвелла для стационарных полей.
Решение	Если речь идет о стационарных полях, то имеется в виду, что: $\overline<E>=const; \ \overline=const$ . Тогда система уравнений Максвелла принимает вид:

$\left\< \begin rot\ \overline=0 \qquad \left(1.1\right); \\ rot\ \overline=\overline \qquad \left(1.2\right); \\ div\ \overline=\rho \qquad \left(1.3\right); \\ div\ \overline=0 \qquad \left(1.4\right). \end \right$

Источниками электрического поля в этом случае являются только электрические заряды. Источники магнитного поля при этом токи проводимости. В нашем случае электрическое и магнитное поля являются независимыми друг о друга. Это дает возможность исследовать отдельно постоянное электрическое и отдельно магнитное поле.

Задание

Запишите функцию плотности тока смещения в зависимости от расстояния от оси соленоида ( ), если магнитное поле соленоида изменяется по закону: . R – радиус соленоида. Соленоид является прямым. Рассмотрите случай, когда Нарисуйте график ).

Решение

В качестве основ для решения задачи используем уравнение из системы уравнений Максвелла в интегральном виде:

$\oint_L<\overline<E> d\overline=-\int_S<\frac<\partial ><\partial t>\overline>>d\overline \qquad (2.1)$

Определим ток смещения как:

$j_<sm> =\frac<\partial D> <\partial t>\qquad (2.2)$

$\frac<\partial B> Найдем частную производную <\partial t>$
, используя заданную зависимость B(t):

$\frac<\partial B> <\partial t>=2At\ \qquad (2.3)$

Из формул (2.1) и (2.3) для имеем:

$2\pi rE=-\pi R^22At\ \to E=-\frac<AtR^2> \ \qquad (2.4)$

Используем материальное равнение:

$\overline<D> =\varepsilon _0\overline\ \qquad (2.5)$

считая вещество изотропным, тогда:

$D=-\varepsilon <\varepsilon > _0\frac \qquad (2.6)$

Используем формулу (2.2) и выражение (2.6) получим:

$j_<sm> =-\varepsilon _0\frac$

При получим:

$j_<sm> =-\varepsilon _0AR$

(r) вне соленоида (рис.1).

Мы приступаем к изучению нового раздела, который называется электродинамикой. В первую очередь, конечно, нужно задаться вопросом, что изучает данный раздел. Как только мы это выясним, можно будет оценить, насколько важны подобные знания для человечества.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Что такое электродинамика"

Сегодня мы начинаем изучение нового раздела, который называется электродинамикой. Электродинамика — это наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля, посредством которого происходит взаимодействие электрически заряженных частиц и тел.

Напомним, что электромагнитное взаимодействие является одним из четырех типов фундаментальных взаимодействий.

Именно электромагнитные взаимодействия имеют наиболее разнообразные проявления. Электромагнитные явления позволяют видеть все, что вы видите вокруг себя, поскольку свет является одной из форм электромагнитного поля, а без света нельзя было бы что-либо увидеть.

Открытия в области электродинамики кардинально изменили жизнь человечества. Утюг, стиральная машина, мобильный телефон, компьютер, телевизор — это всего лишь несколько примеров среди сотен других, которые позволяют понять, насколько большую роль электромагнитные явления играют в жизни человека.

Изучая молекулярную физику, мы говорили о том, что все тела состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Атомы электрически нейтральны, но включают в себя заряженные частицы, которые называются электронами и протонами. Из курса физики восьмого класса вы знаете, что протон и электрон обладают зарядами, равными по модулю, но электрон — это отрицательно заряженная частица, а протон — положительно заряженная частица.

Электроны могут отрываться от атомов. Если атом теряет электрон, то он становится положительным ионом, а атом, который приобретает электрон, становится отрицательным ионом.

Напомним еще раз, что электрический заряд — это физическая величина, характеризующая силу взаимодействия заряженных тел.

Заметим, что тела становятся заряженными только из-за перераспределения зарядов. Это плавно подводит нас к закону сохранения электрического заряда, о котором мы поговорим чуть позже. Напомним также, что существуют два рода зарядов: положительный и отрицательный. Существует также, такое понятие как элементарный заряд. Это наименьший заряд в природе, то есть заряд электрона. Именно факт существования наименьшего электрического заряда позволил понять, что электризация тел есть ни что иное, как перераспределение электрических зарядов.

В выдвижении гипотез о природе электрического поля принимал участие небезызвестный президент США Бенджамин Франклин, который выдвинул унитарную теорию электричества. Он предположил, что электричество — это некая невесомая жидкость, способная перетекать из одного тела в другое. Электризацию тел Франклин объяснял тем, что в этой жидкости иногда был избыток электрического флюида, а иногда — недостаток. Так появилось понятие отрицательных и положительных зарядов. Как мы понимаем сейчас, под этими флюидами следует понимать электроны, о которых Франклин не знал.

Позднее, Шарль Дюфе и Роберт Симмер, проводя свои опыты, предположили, что существует два вида электричества, которые при соприкосновении нейтрализуют друг друга. Опять же, сейчас мы понимаем, что тело просто становилось электрически нейтральным, получив одинаковое количество положительных и отрицательных частиц.

Конечно, в наше время не существует понятия положительного электричества, — есть только положительные заряды или полюса источника. Однако, Ампер внес большой вклад в изучение электрических явлений, и в его честь была названа единица силы электрического тока.

В результате подобных исследований, было выяснено, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются. Также был открыт очень важный закон, который называется законом сохранения электрического заряда. Он гласит, что в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц сохраняется:

Под изолированной системой подразумевается система, в которую не приходят заряды извне и которую заряды не покидают.

Если число заряженных частиц остается постоянным, то справедливость закона сохранения электрического заряда не вызывает сомнений. Однако, следует отметить, что частицы могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия. Тем не менее, было установлено, что частицы рождаются только парами с зарядами равными по модулю и противоположными по знаку. Или же, напротив, заряженные частицы исчезают тоже только парами с зарядами равными по модулю и противоположными по знаку. В этом случае, они превращаются в две электрически нейтральных частицы.

Читайте также: