Электродинамика является основным разделом физики. В ней рассматриваются варианты применения магнетизма и электричества. Эти два направления основаны на законах, которые были открыты учеными в разное время. На сегодняшний день законы электродинамики применяются практически везде. Каждый день человек сталкивается с применением многих ее разделов. Например: транспорт, электрический ток, само электричество и много другого.
Большинство людей даже и не задумываются, насколько важны в современной жизни все открытия электродинамики. Магнетизм, так же как и электричество, - повседневное явление повседневной жизни. Чаще всего мы сталкиваемся с магнитным полем, которое окружает человека повсюду. Магниты используются в различных электрических и радиоприборах.
Рисунок 1. Электродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электродинамика: понятие и предмет изучения
Электродинамика – это раздел физики, который изучает электромагнитное поле (временные поля, которые зависят от времени), а также его взаимодействие с теми телами, что имеют электрический заряд.
Предмет электродинамики включает в себя изучение:
- связи магнитных и электрических явлений;
- электромагнитного излучения, которое рассматривается в различных условиях (как свободное взаимодействие с веществом);
- электрического переменного тока;
- взаимодействие тока с электромагнитным полем (электрический ток может рассматриваться как совокупность заряженных частиц).
Любое магнитное и электрическое взаимодействие между заряженными частицами изучается в физике как действие, которое осуществляется посредством электромагнитного поля, следовательно, также является предметом электродинамики.
Зачастую под термином «электродинамика» понимается именно классическая электродинамика, которая описывает непрерывные свойства электромагнитного поля при помощи системы уравнений Максвелла. Для того чтобы обозначить современную квантовую теорию электромагнитного поля, применяется термин «квантовая электродинамика».
История возникновения электродинамики
Связь магнитных и электрических явлений впервые была доказана в ходе экспериментального открытия, которое осуществил Эрстед в 1820 году. Он высказал идею о порождении и взаимосвязи магнитных и электрических процессов в пространстве, но довольно не в ясной форме.
Майкл Фарадей в 1831 году в ходе эксперимента открыл закон электромагнитной индукции, который стал первым свидетельством динамической взаимосвязи магнитного и электрического поля. Применимо к этим полям он также разработал концептуальные основы физического поля и базовые теоретические представления, которые позволяют описывать физические поля. В 1832 году он также выявил существование электромагнитных волн.
Дж. К. Максвелл в 1864 году опубликовал впервые полную систему уравнений традиционной электродинамики, которая подробно описывала эволюцию электромагнитного поля, а также его взаимодействие с токами и зарядами. Он высказал предположение о том, что свет – это электромагнитная волна, то есть объект электродинамики.
Лоренц в 1895 году внес ощутимый вклад в развитие традиционной электродинамики, описав при этом взаимодействие электромагнитного поля с движущимися заряженными частицами. Благодаря этому он вывел преобразование Лоренца. Также он первым заметил, что электродинамические уравнения противоречат ньютоновской физике.
А. Эйнштейн в 1905 году опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел». В ней он поведал специальную теорию относительности. Данная теория, в отличие от ньютоновской, находится в полном соответствии с традиционной электродинамикой, а также логически завершает ее построение, позволяя при этом сформулировать ее ковариантный вариант в пространстве Минковского через четвертый потенциал и тензор электромагнитного поля.
В середине XX столетия была создана квантовая электродинамика. Именно она является наиболее точной физической теорией, которая служит образцом и фундаментом для всех нынешних теоретических построений в физике элементарных частиц.
Рисунок 2. Законы электродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Основные законы электростатики
Электростатика – это раздел электродинамики, который изучает неподвижные электрические заряды. Электромагнитные силы играют очень значимую роль природе благодаря тому, что состоят они из электрически заряженных частиц. Между телами действие электромагнитных сил не обнаруживается, поскольку в обычном состоянии они нейтральны. Отрицательно и положительно заряженные частицы связываются между собой электрическими силами, образуя при этом нейтральные системы.
Основными законами электростатики являются следующие:
- Закон сохранения электрического заряда. В процессе электризации тел осуществляется закон сохранения электрического заряда. Данный закон применим для замкнутой системы. Справедливость этого закона подтверждена наблюдением за большим количеством превращений элементарных частиц.
- Закон Кулона. Ключевым законом электростатики является установленный в ходе эксперимента закон Шарля Кулона, что был проведен в 1785 году XVIII столетия. История открытия данного закона начинается значительно раньше. Закон кулона – это один из путей, по которому развивается физика (путь использования аналогии). Еще Эпинус догадывался, что сила действия между электрическими зарядами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Закон Кулона применим для точечных зарядов. Точечными зарядами являются размеры тел, которые в несколько раз меньше расстояния между ними.
- Электрическое поле. После открытия закона Кулона теорию близкодействия полностью вытесняет теория дальнодействия. Фарадей в XIX столетии порождает теорию близкодействия. Однако всеобщее признание данной теории начинается во второй половине XIX столетия, после того, как экспериментально были доказаны теории Максвелла. Он считал, что электрические заряды не воздействуют друг на друга непосредственно. Каждый создает электрическое поле в окружающем его пространстве. Максвелл теоретически доказал, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться с конечной скоростью в пространстве. Если слегка передвинуть один заряд, то сила, что действует на другой, изменится.
- Закон Ома для участка в цепи. В соответствии с законом Ома, сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, а также обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Основной электрической характеристикой проводника является сопротивление. От этой величины напрямую зависит сила тока в проводнике. Сопротивление – это особая мера противодействия проводника и установлению в нем электрического тока. Сопротивление зависит от геометрических размеров проводника и его материала.
- Закон Джоуля – Ленца. Закон Джоуля – Ленца – это закон, который определяет количество теплоты, что выделяется проводником с током в окружающее пространство. Данный закон гласит: количество теплоты, которое выделяется проводником с током, равняется произведению квадрата силы, сопротивлению проводника, а также времени прохождения электрического тока по проводнику.
- Закон Ома для полной цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока, полное сопротивление цепи и ЭДС. Эта связь устанавливается теоретически, если применять закон Джоуля – Ленца и закон сохранения энергии. Сила тока в полной цепи приравнивается отношению ЭДС цепи к её полному сопротивлению. Сила тока напрямую зависит от трех величин: сопротивление внешнего и внутреннего участка цепи, а также ЭДС. Внутреннее сопротивление тока не воздействует на силу тока, если оно не значительно по сравнению с сопротивлением внешней части цепи.
