Реферат Електродинаміка

Електродинаміка- розділ фізики, що вивчає електромагнітне поле в найбільш загальному випадку (тобто, розглядаються змінні поля, що залежать від часу) та його взаємодія з тілами, що мають електричний заряд (електромагнітна взаємодія). Предмет електродинаміки включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (у різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) та його взаємодія з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянутий при цьому як сукупність заряджених частинок, що рухаються). Будь-яка електрична та магнітна взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснюється через посередництво електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.

Найчастіше під терміномелектродинаміказа умовчанням розуміється класична (не торкається квантових ефектів) електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля та його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.

1. Основні поняття

Основні поняття, якими оперує електродинаміка, включають:

Електромагнітне поле - це основний предмет вивчення електродинаміки, вид матерії, що проявляється при взаємодії із зарядженими тілами. Історично поділяється на два поля:

Електричне поле створюється будь-яким зарядженим тілом або змінним магнітним полем, впливає на будь-яке заряджене тіло.
Магнітне поле - створюється зарядженими тілами, що рухаються, зарядженими тілами, що мають спин, і зміннимиелектричними полями, впливає на заряди, що рухаються, і заряджені тіла, що мають спин.

Електричний заряд — це властивість тіл, що дозволяє створювати електромагнітні поля, а також взаємодіяти з цими полями.

Електромагнітний потенціал - 4-векторна фізична величина, що повністю визначає розподіл електромагнітного поля у просторі. Вирізняють:

Електростатичний потенціал - тимчасова компонента 4-вектора

Векторний потенціал — тривимірний вектор, утворений компонентами 4-вектора, що залишилися.

Вектор Пойнтінга — векторна фізична величина, яка має сенс густини потоку енергії електромагнітного поля.

2. Основні рівняння

Основними рівняннями, що описують поведінку електромагнітного поля та його взаємодію із зарядженими тілами є:

Рівняння Максвелла, що визначають поведінку вільного електромагнітного поля у вакуумі та середовищі, а також генерацію поля джерелами. Серед цих рівнянь можна виділити:

Закон індукції Фарадея, визначальний генерацію електричного поля змінним магнітним полем.
Теорема про циркуляцію магнітного поля з додаванням струмів зміщення, введених Максвеллом, визначає генерацію магнітного поля зарядами, що рухаються, і змінним електричним полем
Теорема Гауса для електричного поля, що визначає генерацію електростатичного поля зарядами.
Закон замкнутості силових ліній магнітного поля.

Вираз для сили Лоренца, що визначає силу, що діє на заряд, що знаходиться в електромагнітному полі.

Закон Джоуля - Ленца, що визначає величину теплових втрат у провідному середовищі з кінцевою провідністю, за наявності в нійелектричне поле.

Приватними рівняннями, що мають особливе значення, є:

Закон Кулона, що поєднує теорему Гауса для електричного поля і силу Лоренца, і визначає електростатичну взаємодію двох точкових зарядів.
Закон Ампера, що визначає силу, що діє елементарний струм, поміщений в магнітне поле.
Теорема Пойнтінга, що виражає закон збереження енергії в електродинаміці.

3. Зміст електродинаміки

Іноді під електродинамічними ефектами (на противагу електростатиці) розуміють ті суттєві відмінності загального випадку поведінки електромагнітного поля (наприклад, динамічний взаємозв'язок між електричним і магнітним полем, що змінюються) від статичного випадку, які роблять окремий статичний випадок набагато більш простим для опису, розуміння і розрахунків.

4. Розділи електродинаміки

Електростатика описує властивості статичного (не змінюється з часом або змінюється досить повільно, щоб «електродинамічні ефекти» в описаному вище сенсі можна було знехтувати) електричного поля та його взаємодії з електрично зарядженими тілами (електричними зарядами).
Магнітостатика досліджує постійні струми та постійні магнітні поля (поля не змінюються в часі або змінюються настільки повільно, що швидкість цих змін у розрахунку можна знехтувати), а також їх взаємодію.
Електродинаміка суцільних середовищ розглядає поведінку електромагнітних полів у суцільних середовищах.
Релятивістська електродинаміка розглядає електромагнітні поля в середовищах, що рухаються.

5. Прикладне значення

Електродинаміка лежить в основі фізичної оптики, фізики поширення радіохвиль,а також пронизує практично всю фізику, тому що майже у всіх розділах фізики доводиться мати справу з електричними полями та зарядами, а часто і з їх нетривіальними швидкими змінами та рухами. Крім того, електродинаміка є зразковою фізичною теорією (і в класичному і квантовому своєму варіанті), що поєднує дуже велику точність розрахунків і передбачень з впливом теоретичних ідей, що народилися в її області, на інші області теоретичної фізики.

Електродинаміка має велике значення у техніці і є основою: радіотехніки, електротехніки, різних галузей зв'язку й радіо.

Першим доказом зв'язку електричних та магнітних явищ стало експериментальне відкриття Ерстедом у 1819—1820 породження магнітного поля електричним струмом. Він же висловив ідею про деяку взаємодію електричних та магнітних процесів у просторі, що оточує провідник, проте у досить неясній формі.

В 1831 Майкл Фарадей експериментально відкрив явище і закон електромагнітної індукції, що стали першим ясним свідченням безпосереднього динамічного взаємозв'язку електричного і магнітного полів. Він же розробив (стосовно електричного та магнітного полів) основи концепції фізичного поля та деякі базисні теоретичні уявлення, що дозволяють описувати фізичні поля, а також 1832 передбачив існування електромагнітних хвиль.

У 1895 році Лоренц завершив побудову класичної електродинаміки, описавши взаємодію електромагнітного поля з точковими зарядженими частинками, що рухаються.

У середині XX століття було створено квантову електродинаміку — одну з найточніших фізичних теорій.