Elektrodynamik

Vi förklarar vilken elektrodynamik, dess historia, stiftelser, huvudlagar och tillämpningar är

Vad är elektrodynamik?

De elektrodynamik Det är fysikgrenen som deltar i allt relaterat till rörelse av elektriska laddningar. Beskriv vad utvecklingen i tiden för en uppsättning av N -partiklar med massa och elektrisk laddning är, varav dess initiala position och hastighet är känd.

Om det är en stor uppsättning partiklar med Momentum Liten, deras rörelse och interaktioner som äger rum mellan dem beskrivs makroskopiskt genom klassisk elektrodynamik, som använder Newtons lagar om Maxwell -rörelsen och lagarna.

Och om partikelmomentet är stort och antalet partiklar är litet måste de relativistiska och kvanteffekterna beaktas.

Lägg till relativistiska och kvanteffekter till studien av systemet beror på energin från de involverade fotonerna under interaktionen. Fotoner är partiklar utan belastning eller massa (för praktiska ändamål) som byts ut när det finns en attraktion eller elektrisk repulsion.

Om fotonerna är liten, jämfört med systemets fart, är den klassiska beskrivningen tillräcklig för att få karaktäriseringen av detta.

Kort elektrodynamikhistoria

Lagarna som beskriver dynamiken hos laddade partiklar upptäcktes mellan slutet av 1700- och mitten av 1800 -talet, när begreppet elektrisk ström uppstår, som ett resultat av det experimentella och teoretiska arbetet för många forskare.

Den italienska fysikern Alessandro Volta (1745-1827) tillverkade den första voltaiska högen vid gryningen av 1800-talet. Med det fick han en kontinuerlig ström, vars effekter började studeras omedelbart.

Alessandro Volta Illustration

Länken mellan rörliga elektriska laddningar och magnetism avslöjades med experimenten av fysiker Hans Christian Oersted (1777-1851) 1820. I dem observerades att en elektrisk ström kunde flytta kompassnålen på samma sätt som magneterna.

Det var André Marie Ampere (1775-1836) som etablerade på matematiskt sätt kopplingen mellan den nuvarande och magnetismen, genom lagen som bär hans namn.

Samtidigt studerade Georg Simon Ohm (1789-1854) kvantitativt hur materialen bedriver elektricitet. Han utvecklade också begreppet elektrisk motstånd och dess förhållande till spänning och ström, genom Ohms lag för kretsar.

Det kan tjäna dig: stationär stateori: historia, förklaring, nyheter

Michael Faraday (1791-1867) hittade ett sätt att generera en ström genom den relativa rörelsen mellan magnetfältkällan och en sluten krets.

En tid senare skapade fysikern James Clerk Maxwell (1831-1879) en teori för elektromagnetism som förenade alla de upptäckta lagarna och förklarade de fenomen som är kända fram till dess.

Dessutom förutspådde Maxwell genom sina ekvationer flera effekter som senare bekräftades. Till exempel, när Heinrich Hertz (1857-1894), upptäckte upptäcker av radiovågor, att de rörde sig med ljusets hastighet.

Med tillkomsten av relativitetsteorin, i början av 1900 -talet, var det möjligt att förklara partiklarnas beteende med hastigheter nära ljuset. Samtidigt förfinade kvantmekanik elektrodynamik genom att introducera begreppet snurr och förklara magnetismens ursprung i frågan.

Elektrodynamik grundläggande faktorer

Elektrodynamik handlar om att studera rörliga belastningar

Elektrodynamik är baserad på fyra lagar, som är kända som: Coulombs lag, Gauss Law, Ampere Law och Faraday Law.

Dessa fyra lagar, plus principen om bevarande av belastningen, som härrör från dem och lagen om Lorentz -styrkan, beskriver hur elektriska laddningar interagerar från den klassiska synvinkeln (utan att betrakta foton som en mediator).

Om partiklarnas hastighet är nära ljuset, modifieras dess beteende och det är nödvändigt att lägga till klassisk teori vissa relativistiska korrigeringar som härrör från teorin om relativitet av Albert Einstein (relativistisk elektrodynamik).

Och när skalan av fenomenen för att studera är atom- eller mindre skala, förvärvar kvanteffekterna relevansen, vilket ger upphov till kvantelektrodynamik.

Matematiska grunder i elektrodynamik

Den matematik som är nödvändig för att studera elektrodynamik är vektoral algebra och vektorberäkning, eftersom de elektriska och magnetiska fälten är enheter av en vektor natur. Skalfält deltar också, såsom elektrisk potential och magnetflöde.

Kan tjäna dig: Geometrisk optik: Vilka studier, lagar, applikationer, övningar

Matematiska operatörer för de som härrör från vektorfunktioner är:

• Lutning.
• Divergens.
• Rot-.
• Laplaciano.

Koordinatsystem krävs för upplösning av Maxwell. Förutom kartesiska koordinater är användningen av cylindriska koordinater och sfäriska koordinater ofta.

I integration dyker upp teorems av Green, Stokes och Divergence Theorem.

Slutligen finns det en funktion som heter DIRAC DELTA, vilket definieras genom dess egenskaper och är mycket användbar för att uttrycka laddningsfördelningar begränsade till en viss dimension, till exempel en linjär, ytlig fördelning, en punkt eller ett plan.

Elektromagnetiska vågor

Ursprunget till elektromagnetiska vågor är i elektriska belastningar vars rörelse accelereras. En variabel elektrisk ström i tiden producerar ett elektriskt fält, beskrivet av vektorfunktionen OCH (x, y, z, t) och i sin tur producerar ett magnetfält B (X, y, z, t).

Dessa fält kombineras för att bilda det elektromagnetiska fältet, där det elektriska fältet härstammar till magnetfältet och vice versa.

Elektrodynamiska lagar

När elektriska laddningar är statiska, bland dem finns det elektrostatisk attraktion eller avstötning, medan magnetisk interaktion uppstår genom belastningens rörelse.

Maxwells fyra ekvationer relaterar var och en av fälten till sin källa, och tillsammans med Lorentzs styrka utgör de den teoretiska grunden för elektrodynamik.

Minnesplack med Maxwells ekvationer (när det gäller differentiella operatörer), som är en del av statyn som uppfördes i staden Edinburgh för att hedra den skotska fysikern. Källa: Wikimedia Commons.

Gauss lag

Det elektriska fältflödet som kommer ut ur en volym som är innesluten av den stängda ytan S är proportionellt mot den nettobelastning som är innesluten i det:

Var dTILL Det är en områdesdifferential och k Det är den elektrostatiska konstanten. Denna lag är en följd av Coulomb -lagen för kraft mellan elektriska avgifter.

Gauss Law of Magnetism

Magnetfältflödet genom en volym avgränsad av en stängd yta är noll, eftersom magnetiska monopoler inte finns.

Följaktligen, så länge en magnet är begränsad inom en volym avgränsad av S, är antalet fältlinjer till S lika med antalet linjer som kommer ut:

Kan servera dig: spakarm

Faraday Law

Michael Faraday upptäckte att den relativa rörelsen mellan en stängd metallspas C och en magnet genererar en inducerad ström. Den inducerade spänningen (elektromotivkraften) ε_ind, I samband med denna ström är det proportionellt mot det tillfälliga derivatet av magnetflödet φ_B Det korsar området avgränsat av La Espira:

Det mindre tecknet är Lenzs lag, vilket indikerar att den inducerade spänningen motsätter sig förändringen i flödet som producerar den. Men den inducerade elektromotorkraften är den integrerade linjen i det elektriska fältet längs den stängda vägen C, därför:

Ampere-Maxwell Law

Cirkulationen av magnetfältet på en C -kurva är proportionell mot den totala strömmen som omsluter kurvan. Det finns två bidrag till det: ledningsströmmen I och förskjutningsströmmen har sitt ursprung i variationen i det elektriska flödets tid φ φ_OCH:

Där μ_antingen och ε_antingen De är konstant, den första är Vakuumpermeabilitet och den andra Elektrisk möjlig.

Lorentz Law

Maxwells ekvationer beskriver förhållandet mellan OCH, B och deras respektive källor, men dynamiken i en elektrisk laddning beskrivs av Lorentzs lag eller Lorentzs lag.

Hon påpekar att den totala kraften som verkar på en börda q som rör sig med hastighet v Mitt i ett elektriskt fält OCH och ett magnetfält B (inte producerad av q) ges av:

F = QOCH + qv x B

Elektrodynamiska applikationer

Beställda rörliga belastningar utgör en elektrisk ström, som kan generera energi för att göra användbart arbete: glödlampor, flytta motorer, kort, starta många enheter.

Elkraftfördelning

Elektrodynamik möjliggör överföring av el, genom växlande ström, från avlägsna platser där energi omvandlas och genereras, till städer, industrier och hushåll.

elektronik

Med sitt mål Studien av rörliga belastningar är elektrodynamik den fysiska grunden för elektronik, som handlar om att utforma enheter som genom elektroniska kretsar använder flödet av elektriska belastningar för att generera, överföra, ta emot och lagra elektromagnetiska signaler som som innehålla information.

Referenser

1. Cosenza, m. Elektromagnetism. Andes universitet.
2. Díaz, r. Elektrodynamik: Klassanteckningar. National University of Colombia.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 6. Elektromagnetism. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klassisk elektodynamik. 3: e. Ed. Wiley.
5. Tarazona, c. Introduktion till elektrodynamik. Redaktionella universitet Manuela Beltrán.