Электродинамика

Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Наука
Электродинамика
англ. Electrodynamics
VFPt Solenoid correct2.svg
Предмет изучения электромагнитное поле
Период зарождения XX век
Основные направления физика

Электродинамика — раздел физики и классическая (неквантовая) теория поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами.

История возникновения и развития электродинамики

Простейшие электрические и магнитные явления были известны в древние времена. Были найдены минералы притягивающие кусочки железа. Обнаружено, что янтарь, потёртый о шерсть притягивает лёгкие предметы. Лишь в 1600 году английский учёный Уильям Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга. В XVIII веке проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, создан первый конденсатор и появилась возможность накапливать большие электрические заряды. Была обнаружена электрическая проводимость. В конце XVIII века появились различные электроизмерительные приборы — электроскопы. Французский физик Шарль Кулон в 1785 году экспериментально установил закон взаимодействия зарядов, что позволило определить количественно величины зарядов и силы их взаимодействия[1][2].

В конце XVIII века два итальянских учёных Луиджи Гальвани и Аллесандро Вольта создали гальванический элемент, благодаря которому стало возможным получать электрический ток в течение достаточно длительного времени. До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов: электростатическую индукцию и трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из за механического контакта двух диэлектриков. По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа. В 1802 году российский учёный Василий Петров построил гальванический элемент большой мощности и открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал возможности её применения. В 1807 году английский учёный Гемфри Дэви осуществил впервые электролиз и получил ранее неизвестные металлы калий и натрий. В 1826 году немецкий физик Георг Ом определил зависимость электрического тока от напряжения и сопротивления. Первым доказательством связи электрических и магнитных явлений стало экспериментальное открытие Эрстедом в 18191820 порождения магнитного поля электрическим током. Он же высказал идею о некотором взаимодействии электрических и магнитных процессов в пространстве, окружающем проводник, однако в довольно неясной форме[1][2].

В 1827 году Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за шесть лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время. В 1829 году французский физик Андре Ампер обнаружил взаимодействие электрических токов, протекающих в проводниках. В 1830 году немецкий учёный Карл Гаусс сформулировал основную теорему электростатики, а английский физик Джеймс Джоуль в 1841 году установил связь между количеством теплоты, выделяющегося в проводнике, при движении по нему электрического тока. В 1831 году Майкл Фарадей экспериментально открыл явление и закон электромагнитной индукции, ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Он же разработал (применительно к электрическому и магнитному полям) основы концепции физического поля и некоторые базисные теоретические представления, позволяющие описывать физические поля, а также 1832 году предсказал существование электромагнитных волн. Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля сразу получили признание[1][2].

В 1853 году английский физик Уильям Томсон развил теорию электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и катушки (индуктивности). В 1864 году Джеймс Максвелл впервые опубликовал полную систему уравнений «классической электродинамики», описывающую эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Он высказал теоретически обоснованное предположение о том, что свет является электромагнитной волной, то есть объектом электродинамики. В 1895 году Хендрик Лоренц внёс существенный вклад в построение классической электродинамики, описав взаимодействие электромагнитного поля с (движущимися) точечными заряженными частицами. Это позволило ему вывести преобразования Лоренца. Он же первым заметил, что уравнения электродинамики противоречат ньютоновской физике. В 1896 году русский учёный Александр Попов предпринял попытки установить беспроводную связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио. В 1897-1898 году английский физик Томсон определил величину заряда электрона. В 1905 году А. Эйнштейн публикует работу «К электродинамике движущихся тел», в которой формулирует специальную теорию относительности. Теория относительности, в отличие от ньютоновской физики, находится в полном согласии с классической электродинамикой и логически завершает её построение, позволив создать её ковариантную формулировку в пространстве Минковского через 4-потенциал и 4-тензор электромагнитного поля[1][2].

Предмет электродинамики

Электродинамика изучает 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 (не затрагивающая квантовых эффектов) электродинамика; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика[3].

Понятия электродинамики

Основные понятия электродинамики включают[3]:

(в системе СГС),
Международной системе единиц (СИ)),

где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно. В СИ величина S имеет размерность Вт2.

Модуль вектора Умова — Пойнтинга равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.

Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то нормальная составляющая вектора S непрерывна на границе двух сред.

Специальные разделы электродинамики

Основные уравнения

Основными уравнениями, описывающими поведение электромагнитного поля и его взаимодействие с заряженными телами являются[3]:

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
 — магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца , названное так по имени физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,
 — число витков,
 — магнитный поток через один виток,
 — потокосцепление катушки.

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.

Математически может быть выражен в следующей форме:

где  — мощность выделения тепла в единице объёма,  — плотность электрического тока,  — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

  • Закон Кулона — в электростатике — закон, определяющий электрическое поле (напряженность и/или потенциал) точечного заряда; также законом Кулона называется и сходная формула, определяющая электростатическое взаимодействие (силу или потенциальную энергию) двух точечных зарядов. В современной формулировке закон Кулона гласит:[⇨]

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними . Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы[3]

,

где — элемент объёма, а интегрирование производится по всем областям, где (вектор соответствует текущей точке при интегрировании). Имеется также формула для векторного потенциала магнитного поля . Роль закона Био — Савара — Лапласа в магнитостатике аналогична роли закона Кулона в электростатике. Он широко используется для расчёта магнитного поля по заданному распределению токов[3].

Выражение для силы , с которой магнитное поле действует на элемент объёма проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией , в Международной системе единиц (СИ) имеет вид: [3].

где плотность энергии: ;

 — электрическая постоянная,  — магнитная постоянная;
оператор набла; S — вектор Пойнтинга;
J — плотность тока и E — напряженность электрического поля[3].
[3].

Примечания

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Эволюция основных идей электродинамики / Б. Г. Кузнецов. — Изд. 2-е. — Москва : URSS, cop. 2016. — 292 с. — ISBN 978-5-9710-3489-6
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Электродинамика / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 30: Экслибрис-ЯЯ. — 1978. — 631 с.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Общий курс физики : Электричество / Д. В. Сивухин. — 2-е изд., испр. — Москва : Наука, 1983. — 687 с.
  4. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Сов. энциклопедия, 1984. — стр. 383

Литература

WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!