Elektrodynamiikka

Selitämme, mikä sähköodynamiikka, sen historia, perusta, päälaki ja sovellukset ovat

Mikä on sähköodynamiikka?

Se elektrodynamiikka Se on fysiikan haara, joka osallistuu kaikkeen sähkömaksujen liikkeeseen liittyvään liikkeeseen. Kuvaile, mikä on evoluutio N -hiukkasten sarjan aikana, jolla on massa- ja sähkövaraus, josta sen alku ja nopeus tunnetaan.

Jos se on suuri joukko hiukkasia vauhti Pieni, niiden liikkuminen ja niiden välillä tapahtuvat vuorovaikutukset kuvataan makroskooppisesti klassisen sähköodynamiikan avulla, mikä käyttää Newtonin Maxwell -liikkeen lakeja ja lakeja.

Ja jos hiukkasten vauhti on suuri ja hiukkasten lukumäärä on pieni, relativistiset ja kvanttivaikutukset on otettava huomioon.

Lisää relativistiset ja kvanttivaikutukset järjestelmän tutkimukseen riippuu vuorovaikutuksen aikana mukana olevien fotonien energiasta. Fotonit ovat hiukkasia, joilla ei ole kuormaa tai massaa (käytännön tarkoituksia varten), jotka vaihdetaan aina, kun vetovoima tai sähköinen torjunta on olemassa.

Jos fotonien vauhti on pieni verrattuna järjestelmän vauhtiin, klassinen kuvaus riittää tämän karakterisoinnin saamiseksi.

Lyhyt sähköodynamiikan historia

Lakeja, jotka kuvaavat varautuneiden hiukkasten dynamiikkaa.

Italialainen fyysikko Alessandro Volta (1745-1827) valmisti ensimmäisen voltaatisen paalun 1800-luvun kynnyksellä. Sen kanssa hän sai jatkuvan virran, jonka vaikutuksia aloitettiin heti.

Alessandro Volta -kuva

Liikkuvien sähkömaksujen ja magneettisuuden välinen yhteys paljastettiin fyysikon Hans Christian Oerstedin (1777-1851) kokeilla vuonna 1820. Niissä havaittiin, että sähkövirta pystyi siirtämään kompassin neulaa samalla tavalla kuin magneetit.

Se oli André Marie Ampere (1775-1836), joka perusti matemaattisesti nykyisen ja magneettisuuden välisen yhteyden hänen nimensä kautta, joka kantaa hänen nimensä.

Samanaikaisesti Georg Simon Ohm (1789-1854) tutki kvantitatiivisesti tapaa, jolla materiaalit johtavat sähköä. Hän kehitti myös sähkövastuksen käsitteen ja sen suhteen jännitteeseen ja virtaan Ohmin piireiden lain kautta.

Se voi palvella sinua: Kiinteä valtion teoria: Historia, selitys, uutiset

Michael Faraday (1791-1867) löysi tavan tuottaa virta magneettikentän lähteen ja suljetun piirin välisen suhteellisen liikkeen kautta.

Jonkin aikaa myöhemmin fyysikko James Clerk Maxwell (1831-1879) loi teorian sähkömagnetismista, joka yhdisti kaikki löydetyt lait, selittäen siihen asti tunnetut ilmiöt.

Lisäksi Maxwell ennusti yhtälöidensä kautta useita vaikutuksia, jotka myöhemmin vahvistettiin. Esimerkiksi, kun Heinrich Hertz (1857-1894), radioaaltojen löytäjä, todensi, että he liikkuivat valon nopeudella.

Suhteellisuusteorian myötä 1900 -luvun alussa oli mahdollista selittää hiukkasten käyttäytyminen, jolla on lähellä valon nopeutta. Samaan aikaan kvanttimekaniikka puhdisti sähköodynamiikkaa ottamalla käyttöön spin -käsite ja selittämällä magneettisuuden alkuperä.

Sähködynamiikan perusteet

Electodynamiikka käsittelee liikkuvien kuormien tutkimista

Electodynamiikka perustuu neljään lakiin, jotka tunnetaan nimellä: Coulombin laki, Gauss Law, Ampere Law ja Faraday Law.

Nämä neljä lakia sekä niistä peräisin olevan kuorman säilyttämisperiaate ja Lorentzin voiman laki kuvaavat kuinka sähköiset varaukset ovat vuorovaikutuksessa klassisesta näkökulmasta (ottamatta huomioon fotonia välittäjänä)).

Jos hiukkasten nopeus on lähellä valon nopeutta, sen käyttäytymistä muutetaan ja on tarpeen lisätä klassiseen teoriaan joitain relativistisia korjauksia, jotka johtuvat Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta (relativistinen sähköodynamiikka-A.

Ja kun tutkittavien ilmiöiden mittakaava on atomi tai pienempi, kvanttivaikutukset saavat merkityksen, aiheuttaen kvanttielektrodynamiikka.

Sähköodynamiikan matemaattiset perusteet

Sähködynamiikan tutkimiseen tarvittavat matematiikka ovat vektorialgebra- ja vektorilaskelmia, koska sähkö- ja magneettikentät ovat vektorien yksiköitä. Myös skalaarikentät osallistuvat, kuten sähköpotentiaali ja magneettinen vuoto.

Voi palvella sinua: Geometrinen optiikka: Mitä tutkimuksia, lakeja, sovelluksia, harjoituksia

Vektoritoiminnoista johdettujen matemaattiset operaattorit ovat:

• Kaltevuus.
• Ero.
• Kierto-.
• Laplaciano.

Maxwellin ratkaisemiseksi tarvitaan koordinaattijärjestelmiä. Cartesian koordinaattien lisäksi lieriömäisten koordinaattien ja pallomaisten koordinaattien käyttö on usein.

Integroinnissa vihreän, Stokesin ja erimielisyyden lauseet ilmestyvät.

Lopuksi on olemassa funktio Dirac Delta, joka on määritelty sen ominaisuuksien kautta ja on erittäin hyödyllinen ilmaisemaan latausjakaumaa rajoittuneita tiettyyn ulottuvuuteen, esimerkiksi lineaariseen, pinnalliseen jakaumaan, pisteeseen tai tasoon.

Elektromagneettiset aallot

Sähkömagneettisten aaltojen alkuperä on sähkökuormituksissa, joiden liike on kiihtynyt. Muuttuva sähkövirta ajassa tuottaa sähkökentän, joka on kuvattu vektoritoiminnolla JA (x, y, z, t) ja puolestaan ​​tuottaa magneettikentän B - (X, y, z, t).

Nämä kentät yhdistetään sähkömagneettisen kentän muodostamiseksi, jossa sähkökenttä on peräisin magneettikentästä ja päinvastoin.

Elektrodynaamiset lait

Kun sähköiset varaukset ovat staattisia, heidän joukossaan on sähköstaattinen vetovoima tai torjutus, kun taas magneettinen vuorovaikutus syntyy kuormien liikkeestä.

Maxwellin neljä yhtälöä yhdistävät kaikki kentät lähteeseen, ja yhdessä Lorentzin lujuuden kanssa ne muodostavat sähköodynamiikan teoreettisen perustan.

Muistilehti Maxwellin yhtälöillä (differentiaalioperaattoreiden suhteen), joka on osa Edinburghin kaupungissa pystytettyä patsasta Skotlannin fyysikon kunniaksi. Lähde: Wikimedia Commons.

Gauss -laki

Sähkökenttävirta, joka tulee suljetun pinnan sulkemasta tilavuudesta, on verrannollinen siihen suljetulle nettokuormitukselle:

Missä d -d-Lla Se on alueero ja k -k - Se on sähköstaattinen vakio. Tämä laki on seuraus sähköisten maksujen välisestä Coulomb -laista.

Gaussin magneettisen laki

Magneettikentän virtaus suljetun pinnan S: n rajaavan tilavuuden läpi on nolla, koska magneettiset monopolit eivät ole olemassa.

Näin ollen niin kauan kuin magneetti on rajoitettu S: n rajolla, kenttäviivojen lukumäärä S: lle on yhtä suuri kuin esiin tulevien linjojen lukumäärä:

Voi palvella sinua: Lever Arm

Faradayn laki

Michael Faraday havaitsi, että suljetun metallin spaasi C: n ja magneetin välinen suhteellinen liike tuottaa indusoidun virran. Indusoitu jännite (sähkömotiivivoima) ε_Ind, Tähän virtaan liittyvä se on verrannollinen magneettisen vuon väliaikaiseen johdannaiseen φ_{B -} Se ylittää La Espiran rajaaman alueen:

Vähemmän merkki on Lenzin laki, joka osoittaa, että indusoitu jännite vastustaa sen tuottavan virtauksen muutosta. Mutta indusoitu sähkömoottorivoima on sähkökentän kiinteä linja suljetun tien varrella, siksi:

Ampere-Maxwell Law

C -käyrän magneettikentän kierto on verrannollinen kokonaisvirtaan, joka sulkee käyrän. Siinä on kaksi vaikutusta: johtavuusvirta I ja siirtymävirta, joka on peräisin sähkövirtauksen ajanjakson variaatiosta φ_JA-

Missä μ_jompikumpi ja ε_jompikumpi Ne ovat vakioita, ensimmäinen on Tyhjiöläpäisevyys ja toinen Sähkösuuntaisuus.

Lorentzin laki

Maxwellin yhtälöt kuvaavat välistä suhdetta JA, B - ja heidän vastaavat lähteet, mutta sähkövarauksen dynamiikka kuvataan Lorentzin laki tai Lorentzin laki.

Hän huomauttaa, että kokonaisvoima, joka toimii taakassa Q - Se liikkuu nopeudella v Sähkökentän keskellä JA ja magneettikenttä B - (Ei tuottama Q -) annetaan:

F = qJA + Q -v x B -

Sähköodynaamiset sovellukset

Tilatut liikkuvat kuormat muodostavat sähkövirran, joka pystyy tuottamaan energiaa hyödyllisen työn tekemiseen: hehkulamput, liikkuvat moottorit, lyhyesti aloittavat lukuisat laitteet.

Sähkön jakelu

Sähköodynamiikka mahdollistaa sähkön siirron vuorottelevan virran kautta kaukaisista paikoista, joissa energia muuttuu ja syntyy kaupunkeihin, teollisuuteen ja kotitalouksiin.

elektroniikka

Koska liikkuvakuormitustutkimus on tavoitteena, elektrodynamiikka on elektroniikan fyysinen perusta, joka käsittelee laitteita, jotka elektronisten piirien kautta hyödyntävät sähkökuormien virtausta tuottamaan, lähettämään, vastaanottamaan, vastaanottamiseen ja tallentamaan sähkömagneettisia signaaleja, jotka sisältää tietoja.

Viitteet

1. Cosenza, m. Sähkömagnetismi. Andien yliopisto.
2. Díaz, r. Electodynamiikka: luokan muistiinpanot. Kolumbian kansallinen yliopisto.
3. Figueroa, D. (2005). Sarja: Tieteen ja tekniikan fysiikka. Osa 6. Sähkömagnetismi. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D -d. Klassinen elektodynamiikka. Kolmas. Ed. Viiva.
5. Tarazona, c. Johdatus sähköodynamiikkaan. Toimitusyliopisto Manuela Beltrán.