Elektrodynamica

We leggen uit welke elektrodynamica, de geschiedenis, de stichtingen, de belangrijkste wetten en toepassingen zijn

Wat is elektrodynamica?

De elektrodynamica Het is de tak van de natuurkunde die alles bijwoont met betrekking tot de beweging van elektrische ladingen. Beschrijf wat de evolutie in de tijd van een set N -deeltjes met massa en elektrische lading is, waarvan de initiële positie en snelheid bekend is.

Als het een grote set deeltjes is met momentum Klein, hun beweging en de interacties die tussen hen plaatsvinden, worden macroscopisch beschreven door klassieke elektrodynamica, die gebruik maakt van de wetten van Newton van de Maxwell -beweging en wetten.

En als het deeltjesmomentum groot is en het aantal deeltjes klein is, moeten de relativistische en kwantumeffecten in aanmerking worden genomen.

Voeg de relativistische en kwantumeffecten toe aan de studie van het systeem hangt af van de energie van de betrokken fotonen tijdens de interactie. Fotonen zijn deeltjes zonder belasting of massa (voor praktische doeleinden) die worden uitgewisseld wanneer er een aantrekkingskracht of elektrische afstoting is.

Als het momentum van de fotonen klein is, vergeleken met het momentum van het systeem, is de klassieke beschrijving voldoende om de karakterisering hiervan te verkrijgen.

Korte geschiedenis van elektrodynamica

De wetten die de dynamiek van geladen deeltjes beschrijven, werden ontdekt tussen het einde van de 18e en het middennineteenth eeuw, wanneer het concept van elektrische stroom ontstaat, als gevolg van het experimentele en theoretische werk van veel wetenschappers.

De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta (1745-1827) produceerde de eerste Voltaic-stapel aan het begin van de negentiende eeuw. Daarmee verkreeg hij een continue stroom, wiens effecten onmiddellijk begonnen te worden bestudeerd.

Alessandro Volta illustratie

Het verband tussen het verplaatsen van elektrische ladingen en magnetisme werd onthuld met de experimenten van natuurkundige Hans Christian Oersted (1777-1851) in 1820. In hen werd waargenomen dat een elektrische stroom in staat was om de kompasnaald op dezelfde manier te verplaatsen als de magneten.

Het was André Marie Ampere (1775-1836) die op wiskundige manier het verband tussen het huidige en magnetisme vestigde, door de wet die zijn naam draagt.

Tegelijkertijd bestudeerde Georg Simon Ohm (1789-1854) kwantitatief de manier waarop de materialen elektriciteit leiden. Hij ontwikkelde ook het concept van elektrische weerstand en de relatie ervan met spanning en stroom, door de wet van Ohm voor circuits.

Het kan u van dienst zijn: Stationaire staatstheorie: geschiedenis, uitleg, nieuws

Michael Faraday (1791-1867) vond een manier om een ​​stroom te genereren door de relatieve beweging tussen de magnetische veldbron en een gesloten circuit.

Enige tijd later creëerde natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879) een theorie voor elektromagnetisme die alle ontdekte wetten verenigde, waarin de fenomenen werden uitgelegd die tot die tijd bekend zijn.

Bovendien voorspelde Maxwell via zijn vergelijkingen verschillende effecten die later werden bevestigd. Toen Heinrich Hertz (1857-1894) bijvoorbeeld ontdekte van radiogolven, verifieerde ze dat ze met de snelheid van het licht bewogen.

Met de komst van de relativiteitstheorie, aan het begin van de 20e eeuw, was het mogelijk om het gedrag van deeltjes met snelheden in de buurt van dat van het licht uit te leggen. Ondertussen verfijnde de kwantummechanica elektrodynamica door het concept van spin te introduceren en de oorsprong van magnetisme in de zaak te verklaren.

Elektrodynamica Fundamentals

Elektrodynamica gaat over het bestuderen van bewegende belastingen

Electrodynamics is gebaseerd op vier wetten, die bekend staan ​​als: Coulomb's Law, Gauss Law, Ampere Law en Faraday Law.

Deze vier wetten, plus het principe van behoud van de belasting, die van hen afkomstig is en de wet van de kracht van Lorentz, beschrijven hoe elektrische ladingen vanuit klassiek oogpunt interageren (zonder het foton als een bemiddelaar te beschouwen).

Als de snelheid van de deeltjes dicht bij die van het licht is, is het gedrag ervan gewijzigd en is het noodzakelijk om aan de klassieke theorie enkele relativistische correcties toe te voegen die voortkomen uit de relativiteitstheorie van Albert Einstein (relativistische elektrodynamica)).

En wanneer de schaal van de fenomenen om te bestuderen de atomaire of kleinere schaal is, verwerven de kwantumeffecten relevant, wat aanleiding geeft tot de kwantumelektrodynamica.

Wiskundige fundamentals van elektrodynamica

De wiskunde die nodig is voor de studie van elektrodynamica zijn vectoriale algebra- en vectorberekening, aangezien de elektrische en magnetische velden entiteiten van vector aard zijn. Scalaire velden nemen ook deel, zoals elektrisch potentieel en magnetische flux.

Kan u van dienst zijn: Geometrische optiek: welke studies, wetten, toepassingen, oefeningen

Wiskundige operators voor die afgeleid van vectorfuncties zijn:

• Gradiënt.
• Afwijking.
• Roterend.
• Laplaciano.

Coördinatensystemen zijn vereist voor de resolutie van Maxwell. Naast Cartesiaanse coördinaten is het gebruik van cilindrische coördinaten en sferische coördinaten frequent.

In integratie verschijnen de stellingen van Green, Stokes en de divergentiestelling.

Ten slotte is er een functie genoemd Dirac Delta, die wordt gedefinieerd door zijn eigenschappen en zeer nuttig is voor het uitdrukken van laadverdelingen beperkt tot een bepaalde dimensie, bijvoorbeeld een lineaire, oppervlakkige verdeling, een punt of een vlak.

Elektromagnetische golven

De oorsprong van elektromagnetische golven is in elektrische belastingen waarvan de beweging is versneld. Een variabele elektrische stroom in de tijd produceert een elektrisch veld, beschreven door de vectorfunctie EN (x, y, z, t) en produceert op zijn beurt een magnetisch veld B (X, Y, Z, T).

Deze velden worden gecombineerd om het elektromagnetische veld te vormen, waarin het elektrische veld afkomstig is van het magnetische veld en vice versa.

Elektrodynamische wetten

Wanneer elektrische ladingen statisch zijn, onder hen is er elektrostatische aantrekkingskracht of afstoting, terwijl magnetische interactie voortkomt uit de beweging van belastingen.

De vier vergelijkingen van Maxwell relateren elk van de velden aan hun bron, en samen met de kracht van Lorentz vormen ze de theoretische basis van elektrodynamica.

Herdenkingsplak met de vergelijkingen van Maxwell (in termen van differentiële operators), die deel uitmaakt van het standbeeld opgericht in de stad Edinburgh ter ere van de Schotse fysicus. Bron: Wikimedia Commons.

Gauss Law

De elektrische veldstroom die voortkomt uit een volume dat wordt omsloten door het gesloten oppervlak, is evenredig met de netto belasting erin:

Waar DNAAR Het is een gebiedsverschil en k Het is de elektrostatische constante. Deze wet is een gevolg van de Coulomb -wet voor kracht tussen elektrische ladingen.

Gauss Law of Magnetism

Het magnetische veld stromt door een volume dat wordt afgebakend door een gesloten oppervlak is nul, omdat magnetische monopoles niet bestaan.

Bijgevolg, zolang een magneet wordt beperkt binnen een volume dat wordt afgebakend door S, is het aantal veldlijnen tot S gelijk aan het aantal lijnen dat uitkomt:

Kan u van dienst zijn: hendelarm

Faraday Law

Michael Faraday ontdekte dat de relatieve beweging tussen een gesloten metalen spase C en een magneet een geïnduceerde stroom genereert. De geïnduceerde spanning (elektromotorische kracht) ε_ind, geassocieerd met deze stroom, is het evenredig met de tijdelijke afgeleide van de magnetische flux φ_B Dat kruist het gebied gescheiden door La Espira:

Het minder teken is de wet van Lenz, wat aangeeft dat de geïnduceerde spanning tegen de verandering in de stroom die deze produceert tegenstaat. Maar de geïnduceerde elektromotorische kracht is de integrale lijn van het elektrische veld langs de gesloten weg C, daarom:

Ampere-maxwell wet

De circulatie van het magnetische veld op een C -curve is evenredig met de totale stroom die de curve omsluit. Er zijn twee bijdragen aan: de geleidingsstroom I en de verplaatsingsstroom zijn ontstaan ​​door de variatie in de tijd van de elektrische stroom φ_EN:

Waar μ_of en ε_of Ze zijn constant, de eerste is de Vacuümpermeabiliteit en de tweede de Elektrische mogelijkheid.

Lorentz Law

De vergelijkingen van Maxwell beschrijven de relatie tussen EN, B en hun respectieve bronnen, maar de dynamiek van een elektrische lading wordt beschreven door de wet van Lorentz of de wet van Lorentz.

Ze wijst erop dat de totale kracht die op een last werkt Q dat beweegt met snelheid v In het midden van een elektrisch veld EN en een magnetisch veld B (niet geproduceerd door Q) is gegeven door:

F = qEN + Qv X B

Elektrodynamische toepassingen

Besteld bewegende belastingen vormen een elektrische stroom, die in staat is om energie te genereren om nuttig werk te doen: gloeilampen, verplaatsende motoren, kortom, start talloze apparaten.

Elektrische stroomverdeling

Elektrodynamica maakt de overdracht van elektriciteit mogelijk, door wisselstroom, van verre plaatsen waar energie wordt getransformeerd en gegenereerd tot steden, industrieën en huishoudens.

elektronica

Omdat het als doel de studie van bewegende belastingen is, is elektrodynamica de fysieke basis van elektronica, die zich bezighoudt met het ontwerpen van apparaten die, via elektronische circuits, gebruik maken van de stroom van elektrische belastingen om elektromagnetische signalen te genereren, te verzenden, te verzenden, te ontvangen, te ontvangen en op te slaan die opslaan. Informatie bevatten.

Referenties

1. Cosenza, m. Elektromagnetisme. Universiteit van de Andes.
2. Díaz, r. Elektrodynamica: klassennotities. Nationale Universiteit van Colombia.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 6. Elektromagnetisme. Uitgegeven door Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Klassieke electodynamica. 3e. ED. Wiley.
5. Tarazona, c. Inleiding tot elektrodynamica. Redactionele universiteit Manuela Beltrán.