Elektrodynamika klasyczna Wprowadzenie do elektrodynamiki klasycznej, dodatkowe rozdziały. Elektrodynamika klasyczna

§ 1. Prawo Coulomba
§ 2. Natężenie pola elektrycznego
§ 3. Twierdzenie Gaussa
§ 4. Postać różniczkowa twierdzenia Gaussa
§ 5. Drugie równanie elektrostatyki i potencjału skalarnego
§ 6. Rozkłady powierzchniowe ładunków i dipoli. Pole elektryczne i potencjalne skoki
§ 7. Równania Laplace'a i Poissona
§ 8. Twierdzenie Greena
§ 9. Jedyność rozwiązania w warunkach brzegowych Dirichleta lub Neumanna
§ 10. Formalne rozwiązanie problemów brzegowych elektrostatyki z wykorzystaniem funkcji Greena
§ 11. Energia potencjalna i gęstość energii pola elektrostatycznego
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Sposób obrazowania
§ 2. Ładunek punktowy w pobliżu uziemionego przewodnika sferycznego
§ 3. Ładunek punktowy w pobliżu naładowanego, izolowanego przewodnika sferycznego
§ 4. Ładunek punktowy w pobliżu przewodnika kulistego o zadanym potencjale
§ 5. Przewodnik sferyczny w jednorodnym polu elektrycznym
§ 6. Metoda inwersji
§ 7. Funkcja Greena dla kuli. Ogólne wyrażenie potencjału
§ 8. Dwie sąsiadujące ze sobą półkule przewodzące posiadające różne potencjały
§ 9. Rozwinięcie w funkcje ortogonalne
§ 10. Separacja zmiennych. Równanie Laplace'a we współrzędnych kartezjańskich
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Równanie Laplace'a we współrzędnych sferycznych
§ 2. Równanie Legendre'a i wielomiany Legendre'a
§ 3. Zagadnienia brzegowe z symetrią azymutalną
§ 4. Powiązane funkcje Legendre'a i harmoniczne sferyczne
§ 5. Twierdzenie o dodawaniu dla harmonicznych sferycznych
§ 6. Równanie Laplace'a we współrzędnych cylindrycznych. Funkcje Bessela
§ 7. Zagadnienia brzegowe we współrzędnych cylindrycznych
§ 8. Rozwinięcie funkcji Greena we współrzędnych sferycznych
§ 9. Wyznaczanie potencjału przy pomocy rozwinięć sferycznych funkcji Greena
§ 10. Rozwinięcie funkcji Greena we współrzędnych cylindrycznych
§ 11. Rozbudowa funkcji Greena w kategoriach funkcji własnych
§ 12. Mieszane warunki brzegowe. Naładowany dysk przewodzący
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Rozwinięcie multipolowe
§ 2. Rozbudowa multipoli energetycznych rozkładu ładunku w polu zewnętrznym
§ 3. Elektrostatyka makroskopowa. Skutki połączonego działania atomów
§ 4. Dielektryki izotropowe i warunki brzegowe
§ 5. Zagadnienia wartości brzegowych w obecności dielektryków
§ 6. Polaryzowalność cząsteczek i podatność dielektryczna
§ 7. Modele polaryzowalności molekularnej
§ 8. Energia pola elektrycznego w dielektryku
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Wprowadzenie i podstawowe definicje
§ 2. Prawo Biota i Savarta
§ 3. Równania różniczkowe magnetostatyki i prawo Ampera
§ 4. Potencjał wektorowy
§ 5. Potencjał wektorowy i indukcja magnetyczna kołowej pętli prądowej
§ 6. Pole magnetyczne o ograniczonym rozkładzie prądu. Moment magnetyczny
§ 7. Siła i moment obrotowy działające na ograniczony rozkład prądu w zewnętrznym polu magnetycznym
§ 8. Równania makroskopowe
§ 9. Warunki brzegowe dla indukcji i pola magnetycznego
§ 10. Kulka równomiernie namagnesowana
§ 11. Kulka namagnesowana w polu zewnętrznym. Magnesy trwałe
§ 12. Ekranowanie magnetyczne. Kulista powłoka materiału magnetycznego w jednorodnym polu
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Prawo indukcji Faradaya
§ 2. Energia pola magnetycznego
§ 3. Makswellowski prąd przemieszczenia. Równania Maxwella
§ 4. Potencjały wektorowe i skalarne
§ 5. Transformacje mierników. Wskaźnik Lorentza. Miernik Coulomba
§ 6. Funkcja Greena dla równania falowego
§ 7. Problem z warunkami początkowymi. Reprezentacja całkowa Kirchhoffa
§ 8. Twierdzenie Poyntinga
§ 9. Prawa zachowania układu cząstek naładowanych i pól elektromagnetycznych
§ 10. Równania makroskopowe
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Fale płaskie w ośrodku nieprzewodzącym
§ 2. Polaryzacja liniowa i kołowa
§ 3. Superpozycja fal w jednym wymiarze. Szybkość grupy
§ 4. Przykłady propagacji impulsów w ośrodku dyspersyjnym
§ 5. Odbicie i załamanie fal elektromagnetycznych na płaskiej powierzchni styku dielektryków
§ 6. Polaryzacja podczas odbicia i całkowitego wewnętrznego odbicia
§ 7. Fale w ośrodku przewodzącym
§ 8. Prosty model przewodnictwa
§ 9. Fale poprzeczne w plazmie rozrzedzonej
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Pola na powierzchni i wewnątrz przewodnika
§ 2. Rezonatory i falowody cylindryczne
§ 3. Falowody
§ 4. Fale w falowodzie prostokątnym
§ 5. Przepływ energii i tłumienie w falowodach
§ 6. Rezonatory
§ 7. Straty mocy w rezonatorze. Współczynnik jakości rezonatora
§ 8. Falowody dielektryczne
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Pola utworzone przez ograniczone źródła oscylacyjne
§ 2. Elektryczne pole dipolowe i promieniowanie
§ 3. Pola dipolowe magnetyczne i kwadrupolowe elektryczne
§ 4. Antena liniowa ze wzbudzeniem centralnym
§ 5. Całka Kirchhoffa
§ 6. Wektorowe odpowiedniki całki Kirchhoffa
§ 7. Zasada Babineta dla ekranów dodatkowych
§ 8. Dyfrakcja na okrągłym otworze
§ 9. Dyfrakcja na małych dziurach
§ 10. Rozpraszanie fal krótkich przez kulę przewodzącą
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Wprowadzenie i podstawowe pojęcia
§ 2. Równania hydrodynamiki magnetycznej
§ 3. Dyfuzja magnetyczna, lepkość i ciśnienie
§ 4. Przepływ magnetohydrodynamiczny pomiędzy granicami w skrzyżowanych polach elektrycznych i magnetycznych
§ 5. Efekt szczypania
§ 6. Model dynamiczny efektu szczypania
§ 7. Niestabilności kolumny sprężonej plazmy
§ 8. Fale magnetohydrodynamiczne
§ 9. Oscylacje plazmy o wysokiej częstotliwości
§ 10. Krótkofalowe oscylacje plazmy. Promień ekranowania Debye’a
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Tło historyczne i główne doświadczenia
§ 2. Postulaty szczególnej teorii względności i transformacji Lorentza
§ 3. Skrócenie Fitzgeralda-Lorentza i dylatacja czasu
§ 4. Dodawanie prędkości. Aberracja i doświadczenie Fizeau. przesunięcie Dopplera
§ 5. Precesja Tomaszowa
§ 6. Czas właściwy i stożek świetlny
§ 7. Transformacje Lorentza jako transformacje ortogonalne w przestrzeni czterowymiarowej
§ 8. Cztery wektory i cztery tensory. Kowariancja równań fizycznych
§ 9. Kowariancja równań elektrodynamicznych
§ 10. Transformacja pola elektromagnetycznego
§ 11. Kowariancja wyrażenia na siłę Lorentza i prawa zachowania
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Pęd i energia cząstki
§ 2. Kinematyka fragmentów podczas rozpadu cząstki niestabilnej
§ 3. Przeliczenie na układ środka masy i progi reakcji
§ 4. Przekształcenie pędu i energii z układu środka masy do układu laboratoryjnego
§ 5. Kowariantne równania ruchu. Lagranżian i hamiltonian dla relatywistycznej cząstki naładowanej
§ 6. Poprawki relatywistyczne pierwszego rzędu dla Lagrangianów oddziałujących cząstek naładowanych
§ 7. Ruch w jednorodnym statycznym polu magnetycznym
§ 8. Ruch w jednorodnych statycznych polach elektrycznych i magnetycznych
§ 9. Dryft cząstek w nierównomiernym statycznym polu magnetycznym
§ 10. Adiabatyczna niezmienność strumienia magnetycznego na orbicie cząstki
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Przekazywanie energii podczas zderzeń Coulomba
§ 2. Przekazanie energii do oscylatora harmonicznego
§ 3. Klasyczne i kwantowo-mechaniczne wyrażenie strat energii
§ 4. Wpływ gęstości na straty energii podczas zderzenia
§ 5. Straty energii w plazmie elektronowej
§ 6. Elastyczne rozpraszanie szybkich cząstek przez atomy
§ 7. Wartość średniokwadratowa kąta rozproszenia i rozkład kątowy dla rozpraszania wielokrotnego
§ 8. Przewodność elektryczna plazmy
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Potencjały Lienarda-Wiecherta i pole ładunku punktowego
§ 2. Całkowita moc wyemitowana przez poruszający się ładunek przyspieszony. Wzór Larmore'a i jego relatywistyczne uogólnienie
§ 3. Rozkład kątowy promieniowania ładunku przyspieszonego
§ 4. Emisja ładunku podczas dowolnego ruchu ultrarelatywistycznego
§ 5. Rozkłady widmowe i kątowe energii emitowanej przez ładunki przyspieszone
§ 6. Widmo promieniowania relatywistycznej cząstki naładowanej podczas chwilowego ruchu po okręgu
§ 7. Rozpraszanie opłatami bezpłatnymi. Wzór Thomsona
§ 8. Rozpraszanie spójne i niespójne
§ 9. Promieniowanie Wawiłowa-Czerenkowa
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Promieniowanie podczas zderzeń
§ 2. Bremsstrahlung podczas nierelatywistycznych zderzeń Coulomba
§ 3. Bremsstrahlung podczas ruchu relatywistycznego
§ 4. Efekt ekranowania. Straty radiacyjne w przypadku relatywistycznym
§ 5. Metoda fotonów wirtualnych Weizsäckera-Williamsa
§ 6. Bremsstrahlung jako rozpraszanie wirtualnych fotonów
§ 7. Promieniowanie powstałe w wyniku rozpadu beta
§ 8. Promieniowanie podczas wychwytywania elektronów orbitalnych. Zanik ładunku i momentu magnetycznego
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Funkcje własne równania fali skalarnej
§ 2. Rozbudowa pól elektromagnetycznych na multipole
§ 3. Własności pól wielobiegunowych. Energia i moment pędu promieniowania wielobiegunowego
§ 4. Rozkład kątowy promieniowania wielobiegunowego
§ 5. Źródła promieniowania wielobiegunowego. Momenty wielobiegunowe
§ 6. Promieniowanie wielobiegunowe układów atomowych i jądrowych
§ 7. Promieniowanie anteny liniowej ze wzbudzeniem centralnym
§ 8. Rozprzestrzenianie się wektorowej fali płaskiej w falach sferycznych
§ 9. Rozpraszanie fal elektromagnetycznych na kuli przewodzącej
§ 10. Rozwiązywanie problemów brzegowych za pomocą rozwinięć wielobiegunowych
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Uwagi wstępne
§ 2. Wyznaczanie siły reakcji na promieniowanie z prawa zachowania energii
§ 3. Obliczanie siły reakcji na promieniowanie według Abrahama i Lorentza
§ 4. Trudności modelu Abrahama-Lorentza
§ 5. Własności transformacyjne modelu Abrahama-Lorentza. Napięcia Poincarégo
§ 6. Kowariantne wyznaczanie wewnętrznej energii elektromagnetycznej i pędu cząstki naładowanej
§ 7. Całkowo-różniczkowe równanie ruchu z uwzględnieniem tłumienia radiacyjnego
§ 8. Szerokość linii i przesunięcie poziomu oscylatora
§ 9. Rozpraszanie i absorpcja promieniowania przez oscylator
Rekomendowane lektury
Zadania

§ 1. Jednostki miar i wymiarów. Jednostki podstawowe i pochodne
§ 2. Jednostki miary i równania elektrodynamiki
§ 3. Różne układy jednostek elektromagnetycznych
§ 4. Tłumaczenie wzorów i wartości liczbowych wielkości z układu jednostek Gaussa na układ MKS

MINISTERSTWO EDUKACJI I NAUKI ROSJI BUDŻET PAŃSTWA FEDERALNEGO

INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEJ

PROFESJONALNA EDUKACJA

„Państwowy Uniwersytet Techniczny Don”

(DSTU)

Test

przez dyscyplinę „Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych”

Temat nr 1.25 Powstanie i rozwój elektrodynamiki klasycznej

(M. Faradaya, D. Maxwella, G. Hertza).

Elektrodynamiczny obraz świata.

Wykonane: Onuchina A.A.

student 1 kierunek przygotowania kursu nauka na odległość

Grupa IZES11 Książka ocen nr. 1573242

Sprawdzony ________________

Rostów nad Donem

Plan:

1. Historia elektrodynamiki…………………………………………………..3

2. Powstawanie i rozwój elektrodynamiki klasycznej.…………….…… 5

3. Elektrodynamiczny obraz świata.…………………..………………………10

Lista referencji…..…………………………………….……13

Historia elektrodynamiki.

Elektrodynamika klasyczna jest teorią procesów elektromagnetycznych w różnych ośrodkach i w próżni. Obejmuje ogromny zespół zjawisk, w których główną rolę odgrywają oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami przeprowadzane poprzez pole elektromagnetyczne.

Historia elektrodynamiki to historia ewolucji podstawowych pojęć fizycznych. Do połowy XVIII wieku ustalono ważne wyniki eksperymentów związanych z elektrycznością: przyciąganie i odpychanie, podział substancji na przewodniki i izolatory, odkryto istnienie dwóch rodzajów elektryczności. Poczyniono postępy w badaniach nad magnetyzmem.

Praktyczne wykorzystanie energii elektrycznej rozpoczęło się w drugiej połowie XVIII wieku. Imię Fraclin (1706-1790) wiąże się z pojawieniem się hipotezy o elektryczności jako szczególnej substancji materialnej. W 1785 r. C. Coulomb ustalił prawo oddziaływania dwóch ładunków punktowych. Z nazwiskiem A. Volty (1745-1827) wiąże się szereg wynalazków elektrycznych przyrządów pomiarowych. Prawo Ohma zostało ustanowione w 1826 r. W 1820 roku Oersted odkrył magnetyczne działanie prądu elektrycznego. W 1820 roku powstało prawo określające siłę mechaniczną, z jaką pole magnetyczne oddziałuje na wprowadzony do niego element prądu elektrycznego – prawo Ampera. Ampere ustanowił także prawo oddziaływania sił między dwoma prądami.

Szczególne znaczenie w fizyce ma hipoteza prądów molekularnych, zaproponowana przez Ampere'a w 1820 roku.

W 1831 roku Faradaya odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej. W 1873 roku James Clerk Maxwell (1831-1879) nakreślił krótkie równania, które stały się teoretyczną podstawą elektrodynamiki. Jedną z konsekwencji równań Maxwella było przewidzenie EM natury światła, a także przewidział on możliwość istnienia fal EM. Stopniowo w nauce wykształciła się koncepcja pola EM jako niezależnej jednostki materialnej będącej nośnikiem oddziaływań EM w przestrzeni. Różne zjawiska elektryczne i magnetyczne, które ludzie obserwowali od niepamiętnych czasów, zawsze budziły ich ciekawość i zainteresowanie. Najczęściej termin elektrodynamika odnosi się do elektrodynamiki klasycznej, która opisuje jedynie ciągłe właściwości pola elektromagnetycznego. Pole elektromagnetyczne jest głównym przedmiotem badań elektrodynamiki, rodzaju materii, która objawia się podczas interakcji z naładowanymi ciałami. W 1895 roku Popov A.S. dokonał największego wynalazku – radia. Miało to ogromny wpływ na dalszy rozwój nauki i technologii. Wszystkie zjawiska elektromagnetyczne można opisać za pomocą równań Maxwella, które ustalają związek pomiędzy wielkościami charakteryzującymi pola elektryczne i magnetyczne a rozkładem ładunków i prądów w przestrzeni.

Powstanie i rozwój elektrodynamiki klasycznej

(M. Faradaya, D. Maxwella, G. Hertza).

Ważnym krokiem w rozwoju elektrodynamiki było odkrycie przez M. Faradaya zjawiska indukcji elektromagnetycznej – wzbudzenia przez zmienne pole magnetyczne siły elektromotorycznej w przewodnikach – które stało się podstawą elektrotechniki.

Michael Faraday – angielski fizyk, urodził się na obrzeżach Londynu w rodzinie kowala. Po ukończeniu szkoły podstawowej, od dwunastego roku życia pracował jako roznosiciel gazet, a w 1804 roku został uczniem introligatora Ribota, francuskiego emigranta, który na wszelkie możliwe sposoby wspierał żarliwe pragnienie samokształcenia Faradaya. Czytając i uczęszczając na wykłady, Faraday starał się poszerzać swoją wiedzę, a pociągały go głównie nauki przyrodnicze – chemia i fizyka. W 1813 roku jeden z klientów podarował Faradaya karty z zaproszeniami na wykłady Humphry’ego Davy’ego, co odegrało decydującą rolę w losach młodego człowieka. Po skierowaniu listu do Davy'ego Faraday z jego pomocą otrzymał stanowisko asystenta laboratoryjnego w Instytucie Królewskim.

Działalność naukowa Faradaya toczyła się w murach Instytutu Królewskiego, gdzie najpierw pomagał Davy'emu w eksperymentach chemicznych, a następnie rozpoczął niezależne badania. Faraday skroplił chlor i inne gazy, otrzymując benzen. W 1821 roku po raz pierwszy zaobserwował obrót magnesu wokół przewodnika z prądem oraz przewodnika z prądem wokół magnesu i stworzył pierwszy model silnika elektrycznego. Przez następne 10 lat Faraday badał związek między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi. Kulminacją jego badań było odkrycie w 1831 roku zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Faraday szczegółowo zbadał to zjawisko, wydedukował jego podstawowe prawo, odkrył zależność prądu indukcyjnego od właściwości magnetycznych ośrodka, zbadał zjawisko samoindukcji i dodatkowych prądów zamykania i otwierania.

Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej natychmiast nabrało ogromnego znaczenia naukowego i praktycznego; zjawisko to leży u podstaw np. działania wszystkich generatorów prądu stałego i przemiennego. Chęć poznania natury prądu elektrycznego skłoniła Faradaya do eksperymentów nad przepływem prądu przez roztwory kwasów, soli i zasad. Efektem tych badań było odkrycie praw elektrolizy w 1833 roku. W 1845 roku Faradaya odkrył zjawisko rotacji płaszczyzny polaryzacji światła w polu magnetycznym. W tym samym roku odkrył diamagnetyzm, w 1847 - paramagnetyzm, a w 1833 wynalazł woltomierz.

Idee Faradaya dotyczące pól elektrycznych i magnetycznych wywarły ogromny wpływ na rozwój całej fizyki. W 1832 r. Faraday zasugerował, że propagacja oddziaływań elektromagnetycznych jest procesem falowym zachodzącym ze skończoną prędkością, a w 1845 r. po raz pierwszy użył terminu „pole magnetyczne”.

Odkrycia Faradaya zyskały szerokie uznanie w całym świecie naukowym. Na cześć Michaela Faradaya Brytyjskie Towarzystwo Chemiczne ustanowiło Medal Faradaya, jedną z najbardziej honorowych nagród naukowych.

Próbując wyjaśnić zjawisko indukcji elektromagnetycznej w oparciu o koncepcję działania dalekiego zasięgu, napotykając jednak trudności, zasugerował, że oddziaływania elektromagnetyczne zachodzą poprzez pole elektromagnetyczne, opierając się na koncepcji działania krótkiego zasięgu. To zapoczątkowało powstawanie koncepcji pola elektromagnetycznego, sformalizowanej przez D. Maxwella. James Clerk Maxwell – angielski fizyk. Urodzony w Edynburgu. Pod jego kierownictwem powstało słynne Laboratorium Cavendish w Cambridge, którym kierował do końca życia.

Prace Maxwella poświęcone są elektrodynamice, fizyce molekularnej, statystyce ogólnej, optyce, mechanice i teorii sprężystości. Maxwell wniósł swój najbardziej znaczący wkład w fizykę molekularną i elektrodynamikę. W kinetycznej teorii gazów, której jest jednym z twórców, ustalił funkcje rozkładu prędkości cząsteczek na podstawie uwzględnienia zderzeń bezpośrednich i odwrotnych, rozwinął teorię przenoszenia w postaci ogólnej, stosując ją do procesów dyfuzję, przewodność cieplną i tarcie wewnętrzne oraz wprowadził pojęcie relaksacji. W 1867 r. pierwszy wykazał statystyczny charakter drugiej zasady termodynamiki, a w 1878 r. wprowadził termin „mechanika statystyczna”.

Największym osiągnięciem naukowym Maxwella jest teoria pola elektromagnetycznego, którą stworzył w latach 1860-1865. W swojej teorii pola elektromagnetycznego Maxwell zastosował nowe pojęcie - prąd przemieszczenia, zdefiniował pole elektromagnetyczne i przewidział nowy ważny efekt: istnienie w wolnej przestrzeni promieniowania elektromagnetycznego, fal elektromagnetycznych i ich propagację w przestrzeni z prędkością światła. Naukowiec sformułował także twierdzenie z teorii sprężystości, ustalił zależności pomiędzy głównymi parametrami termofizycznymi, rozwinął teorię widzenia barw oraz zbadał stabilność pierścieni Saturna, wykazując, że pierścienie nie są stałe ani płynne, ale stanowią rój meteoryty. Maxwell zaprojektował wiele instrumentów. Był znanym popularyzatorem wiedzy fizycznej.

1) pole magnetyczne jest generowane przez poruszające się ładunki i zmienne pole elektryczne (prąd przemieszczenia);

2) pole elektryczne o zamkniętych liniach siły (pole wirowe) jest generowane przez zmienne pole magnetyczne;

3) linie pola magnetycznego są zawsze zamknięte (oznacza to, że nie ma ono źródeł – ładunków magnetycznych podobnych do elektrycznych);

4) pole elektryczne o otwartych liniach siły (pole potencjalne) generowane jest przez ładunki elektryczne – źródła tego pola.

Z teorii Jamesa Maxwella wynika, że prędkość propagacji oddziaływań elektromagnetycznych jest skończona, a istnienie fal elektromagnetycznych jest skończone. Maxwellowska teoria pola elektromagnetycznego jest zasadniczym uogólnieniem elektrodynamiki, dlatego słusznie zajmuje zaszczytne miejsce wśród największych osiągnięć naukowych ludzkości, takich jak mechanika klasyczna, fizyka relatywistyczna i mechanika kwantowa. W latach 1861-1862 James Maxwell opublikował swój artykuł na temat fizycznych linii siły. Opierając się na praktycznej zbieżności prędkości propagacji zaburzeń elektromagnetycznych i prędkości światła, Maxwell zasugerował, że światło jest również zaburzeniem elektromagnetycznym. I ten pomysł, który wydawał się wówczas absolutnie fantastyczny, nagle zaczął zyskiwać potwierdzenie eksperymentalne.

I wszystko wydawało się w porządku, ale w 1885 roku pewien nauczyciel w szkole dla dziewcząt w Bazylei, Johann Jakob Balmer, po swoich eksperymentach napisał krótki, dosłownie kilkustronicowy artykuł, w którym napisano: „Zwróć uwagę na linie widmowe wodorowy." Co wprawiło fizyków teoretyków w stan odrętwienia na następne dwie dekady. Wyraźne linie widmowe serii Balmera wyraźnie pokazały światowej społeczności naukowej, że nie wszystko jest takie proste na tym świecie.

Rozwój elektrodynamiki klasycznej po Maxwellu przebiegał w kilku kierunkach, z których wyróżniamy dwa główne. Po pierwsze, udoskonalono matematyczną stronę teorii Maxwella i uzyskano pewne nowe wyniki. Po drugie, doszło do unifikacji teorii pola elektromagnetycznego z podstawowymi ideami teorii budowy materii. Ten ostatni kierunek doprowadził do powstania teorii elektroniki.

Chciałbym także wspomnieć o wybitnym niemieckim fizyku Heinrichu Rudolfie Hertzu. Ukończył Uniwersytet w Berlinie i od 1885 do 1889 był profesorem fizyki na Uniwersytecie w Karlsruhe. Od 1889 profesor fizyki na uniwersytecie w Bonn.

Głównym osiągnięciem jest eksperymentalne potwierdzenie elektromagnetycznej teorii światła Jamesa Maxwella. Hertz udowodnił istnienie fal elektromagnetycznych.

Elektrodynamikę poruszających się ciał skonstruował w oparciu o hipotezę, że eter jest unoszony przez poruszające się ciała. Jednak jego teoria elektrodynamiki nie została potwierdzona eksperymentami i później ustąpiła miejsca elektronicznej teorii Hendrika Lorentza. Wyniki uzyskane przez Hertza stały się podstawą do stworzenia radia. W 1886 roku Hertz po raz pierwszy zaobserwował i opisał zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Hertz opracował teorię obwodu rezonansowego, badał właściwości promieni katodowych i badał wpływ promieni ultrafioletowych na wyładowania elektryczne. Od 1933 r. jednostka częstotliwości Hertz, która jest zawarta w międzynarodowym systemie metrycznym jednostek SI, nosi nazwę Hertz.

Fizyka jest jedną z najważniejszych nauk, którymi zajmuje się człowiek. Jego obecność jest zauważalna we wszystkich dziedzinach życia, czasem odkrycia zmieniają nawet bieg historii. Dlatego wielcy fizycy są tak interesujący i ważni dla ludzi.

Elektrodynamika to dziedzina fizyki badająca właściwości i wzorce zachowania pola elektromagnetycznego oraz ruch ładunków elektrycznych oddziałujących ze sobą za pośrednictwem tego pola.

Wielu wielkich fizyków poświęciło swoje życie próbom znalezienia odpowiedzi na pytania nurtujące ludzkość. Świat nie stoi w miejscu, wszystko płynie i się zmienia, planeta obraca się wokół własnej osi, burza zawsze przychodzi z błyskawicą i grzmotem, a liście spadają na ziemię. A to właśnie rzeczy na pierwszy rzut oka proste wzbudzały zainteresowanie naukami ścisłymi i przyrodniczymi.

Powiązana informacja.

DEFINICJA

Elektrodynamika to dziedzina fizyki badająca zmienne pola elektromagnetyczne i interakcje elektromagnetyczne.

Tzw. elektrodynamika klasyczna opisuje właściwości pola elektromagnetycznego i zasady jego oddziaływania z ciałami przenoszącymi ładunek elektryczny. Opis ten przeprowadzono za pomocą równań Maxwella, będących wyrażeniem siły Lorentza. W tym przypadku stosowane są takie podstawowe pojęcia elektrodynamiki, jak: pole elektromagnetyczne (pole elektryczne i magnetyczne); ładunek elektryczny; potencjał elektromagnetyczny; Wektor wskazujący.

Specjalne sekcje elektrodynamiki obejmują:

elektrostatyka;
magnetostatyka;
elektrodynamika kontinuum;
elektrodynamika relatywistyczna.

Elektrodynamika stanowi podstawę optyki (jako gałęzi nauki) i fizyki fal radiowych. Ta dziedzina nauki jest podstawą radiotechniki i elektrotechniki.

Podstawowe pojęcia elektrodynamiki

Pole elektromagnetyczne to rodzaj materii, który objawia się w oddziaływaniu naładowanych ciał. Pole elektromagnetyczne często dzieli się na pole elektryczne i magnetyczne. Pole elektryczne to szczególny rodzaj materii wytwarzany przez ciało posiadające ładunek elektryczny lub zmienne pole magnetyczne. Pole elektryczne oddziałuje na każde umieszczone w nim naładowane ciało.

Pole magnetyczne to szczególny rodzaj materii powstający w wyniku poruszania się ciał posiadających ładunki elektryczne i zmienne pola elektryczne. Pole magnetyczne oddziałuje na znajdujące się w ruchu ładunki (ciała naładowane).

Ładunek elektryczny - źródło pola elektrycznego, objawia się poprzez oddziaływanie ciała niosącego ładunek i pola.

Potencjał elektromagnetyczny jest wielkością fizyczną, która całkowicie determinuje rozkład pola elektromagnetycznego w przestrzeni.

Podstawowe równania elektrodynamiki

Równania Maxwella są podstawowymi prawami klasycznej elektrodynamiki makroskopowej. Uzyskuje się je w wyniku uogólnienia danych empirycznych. W skrócie równania te odzwierciedlają całą zawartość elektrodynamiki ośrodka stacjonarnego. Istnieją strukturalne i materiałowe równania Maxwella. Równania te można przedstawić w postaci różniczkowej i całkowej. Zapiszmy równania strukturalne Maxwella w postaci całkowej (układ SI):

gdzie jest wektorem natężenia pola magnetycznego; jest wektorem gęstości prądu elektrycznego; - wektor przemieszczenia elektrycznego. Równanie (1) odzwierciedla prawo powstawania pól magnetycznych. Pole magnetyczne powstaje, gdy porusza się ładunek (prąd elektryczny) lub gdy zmienia się pole elektryczne. Równanie to jest uogólnieniem prawa Biota-Savarta-Laplace'a. Równanie (1) nazywa się twierdzeniem o cyrkulacji pola magnetycznego.

gdzie jest wektor indukcji pola magnetycznego; - wektor natężenia pola elektrycznego; L jest zamkniętą pętlą, wzdłuż której krąży wektor natężenia pola elektrycznego. W przeciwnym razie równanie (2) można nazwać prawem indukcji elektromagnetycznej. Równanie to pokazuje, że wirowe pole elektryczne powstaje w wyniku zmiennego pola magnetycznego.

gdzie jest ładunek elektryczny; - gęstość ładunku. Równanie to nazywane jest również twierdzeniem Ostrogradskiego-Gaussa. Źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne; istnieją ładunki elektryczne swobodne.

Równanie (4) mówi, że pole magnetyczne ma charakter wirowy i nie występują w nim żadne ładunki magnetyczne.

Układ równań strukturalnych Maxwella uzupełniają równania materiałowe, które odzwierciedlają związek wektorów z parametrami charakteryzującymi właściwości elektryczne i magnetyczne materii.

gdzie jest względną stałą dielektryczną, jest względną przenikalnością magnetyczną, jest właściwą przewodnością elektryczną, jest stałą elektryczną, jest stałą magnetyczną. Medium w tym przypadku uważa się za izotropowe, nieferromagnetyczne i nieferroelektryczne.

Przy rozwiązywaniu problemów stosowanych w elektrodynamice równania Maxwella uzupełniane są warunkami początkowymi i brzegowymi.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia

Określ, jaki będzie przepływ wektora natężenia pola elektrycznego () przez powierzchnię hipotetycznej kuli o promieniu R, jeśli pole elektryczne jest wytwarzane przez nieskończoną, równomiernie naładowaną nić, to gęstość rozkładu ładunku na nici jest równa? Środek kuli znajduje się na gwincie.

Rozwiązanie

Zgodnie z jednym z równań Maxwella (twierdzeniem Gaussa) mamy:

gdzie dla ośrodka izotropowego:

stąd:

Biorąc pod uwagę, że ładunek na nitce rozkłada się równomiernie z gęstością , a kula odcina kawałek nici o długości 2R, otrzymujemy, że ładunek wewnątrz wybranej powierzchni jest równy:

Biorąc pod uwagę (1.3) i (1.4) ostatecznie otrzymujemy (zakładamy, że pole istnieje w próżni):

Odpowiedź

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Zapisz funkcję gęstości prądu przemieszczenia w zależności od odległości od osi elektromagnesu (), jeśli pole magnetyczne elektromagnesu zmienia się zgodnie z prawem: . R jest promieniem solenoidu. Elektromagnes jest bezpośredni. Rozważmy przypadek, kiedy
Rozwiązanie	Jako podstawę do rozwiązania problemu wykorzystujemy równanie z układu równań Maxwella:

Definicja 1

Elektrodynamika to teoria badająca procesy elektromagnetyczne w próżni i różnych ośrodkach.

Elektrodynamika obejmuje zespół procesów i zjawisk, w których kluczową rolę odgrywają oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami, które odbywają się poprzez pole elektromagnetyczne.

Historia rozwoju elektrodynamiki

Historia rozwoju elektrodynamiki jest historią ewolucji tradycyjnych koncepcji fizycznych. Jeszcze przed połową XVIII wieku ustalono ważne wyniki eksperymentów, które wynikały z elektryczności:

odpychanie i przyciąganie;
dzielenie materii na izolatory i przewodniki;
istnienie dwóch rodzajów energii elektrycznej.

Znaczące wyniki osiągnięto także w badaniach nad magnetyzmem. Korzystanie z energii elektrycznej zaczęto stosować w drugiej połowie XVIII wieku. Pojawienie się hipotezy o elektryczności jako szczególnej substancji materialnej wiąże się z nazwiskiem Franklina (1706-1790), a w 1785 r. Coulomb ustanowił prawo oddziaływania ładunków punktowych.

Volt (1745-1827) wynalazł wiele elektrycznych przyrządów pomiarowych. W 1820 r. ustanowiono prawo określające siłę mechaniczną, z jaką pole magnetyczne działa na element prądu elektrycznego. Zjawisko to stało się znane jako prawo Ampera. Ampere ustanowił także prawo działania siły kilku prądów. W 1820 roku Oersted odkrył magnetyczne działanie prądu elektrycznego. Prawo Ohma zostało ustanowione w 1826 r.

W fizyce szczególne znaczenie ma hipoteza prądów molekularnych, którą zaproponował Ampere już w 1820 roku. Faraday odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej w 1831 roku. James Clerk Maxwell (1831-1879) w 1873 roku przedstawił równania, które później stały się teoretycznymi podstawami elektrodynamiki. Konsekwencją równań Maxwella jest przewidywanie elektromagnetycznej natury światła. Przewidział także możliwość istnienia fal elektromagnetycznych.

Z biegiem czasu w naukach fizycznych rozwinęła się koncepcja pola elektromagnetycznego jako niezależnej jednostki materialnej, będącej rodzajem nośnika oddziaływań elektromagnetycznych w przestrzeni. Różne zjawiska magnetyczne i elektryczne zawsze budziły zainteresowanie ludzi.

Często termin „elektrodynamika” odnosi się do tradycyjnej elektrodynamiki, która opisuje jedynie ciągłe właściwości pola elektromagnetycznego.

Pole elektromagnetyczne jest głównym przedmiotem badań elektrodynamiki, a także szczególnym rodzajem materii, która objawia się podczas interakcji z naładowanymi cząstkami.

Popov A.S. W 1895 roku wynalazł radio. To właśnie miało kluczowy wpływ na dalszy rozwój technologii i nauki. Równania Maxwella można wykorzystać do opisu wszystkich zjawisk elektromagnetycznych. Równania ustalają związek między wielkościami charakteryzującymi pola magnetyczne i elektryczne, rozprowadzającymi prądy i ładunki w przestrzeni.

Rysunek 1. Rozwój doktryny o elektryczności. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich

Powstawanie i rozwój elektrodynamiki tradycyjnej

Kluczowym i najważniejszym krokiem w rozwoju elektrodynamiki było odkrycie Faradaya – zjawiska indukcji elektromagnetycznej (wzbudzania siły elektromotorycznej w przewodnikach za pomocą zmiennego pola elektromagnetycznego). To właśnie stało się podstawą elektrotechniki.

Michael Faraday to angielski fizyk, który urodził się w rodzinie kowala w Londynie. Ukończył szkołę podstawową i od 12 roku życia pracował jako roznosiciel gazet. W 1804 roku został uczniem francuskiego emigranta Ribota, który wspierał pragnienie samokształcenia Faradaya. Na wykładach starał się poszerzać swoją wiedzę z zakresu nauk przyrodniczych, takich jak chemia i fizyka. W 1813 roku otrzymał bilet na wykłady Humphry'ego Davy'ego, co odegrało decydującą rolę w jego losach. Z jego pomocą Faraday otrzymał stanowisko asystenta w Instytucie Królewskim.

Kariera naukowa Faradaya miała miejsce w Instytucie Królewskim, gdzie najpierw pomagał Davy'emu w jego eksperymentach chemicznych, po czym zaczął je przeprowadzać samodzielnie. Faraday otrzymywał benzen poprzez redukcję chloru i innych gazów. W 1821 roku odkrył, jak magnes obraca się wokół przewodnika z prądem, tworząc pierwszy model silnika elektrycznego.

Przez następne 10 lat Faraday badał powiązania między zjawiskami magnetycznymi i elektrycznymi. Uwieńczeniem wszystkich jego badań było odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej, które miało miejsce w 1831 roku. Szczegółowo przestudiował to zjawisko, a także sformułował jego podstawowe prawo, podczas którego ujawnił zależność prądu indukcyjnego. Faraday badał także zjawiska domknięcia, otwarcia i samoindukcji.

Odkrycie indukcji elektromagnetycznej miało znaczenie naukowe. Zjawisko to leży u podstaw wszystkich generatorów prądu przemiennego i stałego. Ponieważ Faraday nieustannie starał się zidentyfikować naturę prądu elektrycznego, doprowadziło to go do przeprowadzenia eksperymentów nad przepływem prądu przez roztwory soli, kwasów i zasad. W wyniku tych badań pojawiło się prawo elektrolizy, które zostało odkryte w 1833 roku. W tym roku otwiera woltomierz. W 1845 roku Faradaya odkrył zjawisko polaryzacji światła w polu magnetycznym. W tym roku odkrył także diamagnetyzm, a w 1847 paramagnetyzm.

Notatka 1

Idee Faradaya dotyczące pól magnetycznych i elektrycznych wywarły kluczowy wpływ na rozwój całej fizyki. W 1832 roku zaproponował, że propagacja zjawisk elektromagnetycznych jest procesem falowym zachodzącym ze skończoną prędkością. W 1845 roku Faraday po raz pierwszy użył terminu „pole elektromagnetyczne”.

Odkrycia Faradaya zyskały szeroką popularność w całym świecie naukowym. Na jego cześć Brytyjskie Towarzystwo Chemiczne ustanowiło Medal Faradaya, który stał się honorową nagrodą naukową.

Wyjaśniając zjawiska indukcji elektromagnetycznej i napotykając trudności, Faraday zaproponował realizację oddziaływań elektromagnetycznych z wykorzystaniem pola elektrycznego i magnetycznego. Wszystko to położyło podwaliny pod koncepcję pola elektromagnetycznego, która została sformalizowana przez Jamesa Maxwella.

Wkład Maxwella w rozwój elektrodynamiki

James Clerk Maxwell to angielski fizyk urodzony w Edynburgu. To pod jego kierownictwem powstało Laboratorium Cavendish w Cambridge, którym kierował przez całe życie.

Prace Maxwella poświęcone są elektrodynamice, statystyce ogólnej, fizyce molekularnej, mechanice, optyce i teorii sprężystości. Wniósł swój najbardziej znaczący wkład w elektrodynamikę i fizykę molekularną. Jednym z twórców kinetycznej teorii gazów jest Maxwell. Ustalił funkcje rozkładu prędkości cząsteczek, które opierają się na uwzględnieniu zderzeń odwrotnych i bezpośrednich, Maxwell rozwinął teorię przenoszenia w ogólnej postaci i zastosował ją do procesów dyfuzji, tarcia wewnętrznego, przewodności cieplnej, a także wprowadził koncepcja relaksu.

W 1867 r. po raz pierwszy pokazał statystyczną naturę termodynamiki, a w 1878 r. wprowadził pojęcie „mechaniki statystycznej”. Najważniejszym osiągnięciem naukowym Maxwella jest teoria stworzonego przez niego pola elektromagnetycznego. W swojej teorii posługuje się nowym pojęciem „prądu przemieszczenia” i podaje definicję pola elektromagnetycznego.

Uwaga 2

Maxwell przewiduje nowy ważny efekt: istnienie promieniowania elektromagnetycznego i fal elektromagnetycznych w wolnej przestrzeni, a także ich propagację z prędkością światła. Sformułował także twierdzenie z teorii sprężystości, ustalające związek pomiędzy kluczowymi parametrami termofizycznymi. Maxwell rozwija teorię widzenia barw i bada stabilność pierścieni Saturna. Pokazuje, że pierścienie nie są płynne ani stałe, ale są rojem meteorytów.

Maxwell był znanym popularyzatorem wiedzy fizycznej. Zawartość jego czterech równań pola elektromagnetycznego jest następująca:

Pole magnetyczne wytwarzane jest za pomocą poruszających się ładunków i zmiennego pola elektrycznego.
Pole elektryczne o zamkniętych liniach siły generowane jest za pomocą zmiennego pola magnetycznego.
Linie pola magnetycznego są zawsze zamknięte. Pole to nie posiada ładunków magnetycznych, które są podobne do elektrycznych.
Pole elektryczne, które ma otwarte linie siły, jest generowane przez ładunki elektryczne, które są źródłami tego pola.

Książka stanowi cykl wykładów z elektrodynamiki klasycznej, które autor czytał przez wiele lat na studiach licencjackich Wydziału Fizyki Uniwersytetu Państwowego w Petersburgu (Leningradzie). Kurs opiera się na podstawowych zasadach, takich jak równania Maxwella i zasada względności, połączonych w relatywistyczną postać kowariantną równań elektrodynamiki. Na ich podstawie konsekwentnie prezentowane są podstawowe pojęcia i metody elektrostatyki, teorii promieniowania, elektrodynamiki ośrodków ciągłych oraz teorii falowodów. Materiał prezentowany jest z wysokim stopniem matematycznego rygoru, który płynnie łączy się z przejrzystym przedstawieniem treści fizycznej. Książka może być przydatna dla każdego, kto posiadając podstawową wiedzę z zakresu zjawisk elektrycznych i analizy matematycznej, chciałby uzyskać jasne i rygorystyczne matematycznie zrozumienie zarówno podstaw teoretycznych, jak i metod rozwiązywania najbardziej złożonych problemów elektrodynamiki.

Fragment z książki.
Podsumowanie: rozważając problemy radiotechniczne typu „jak ta antena promieniuje”, interesuje nas oczywiście tylko pole przez nią wytworzone, a wykluczając zewnętrzne wolne pola, naturalnym jest narzucenie niezbędnych warunków asymptotycznych w nieskończoności na potencjałach. W tym sformułowaniu powyższe warunki miernika ustalają potencjały w sposób unikalny. Jeśli jednak interesują nas same pola swobodne (co jest naturalne przy formułowaniu problemów np. w kwantowej teorii pola), to nie możemy narzucać warunków wykluczających właśnie te pola.

Przedmowa
1 Ogólne wprowadzenie
1.1 Równania Maxwella.
1.2 Dygresja matematyczna: konwencje notacji, wzory odniesienia.
1.3 Postać całkowa równań Maxwella.
1.4 Zależność pomiędzy postacią różniczkową i całkową równań Maxwella w obecności powierzchni nieciągłości. Warunki brzegowe (warunki dopasowania).
1.5 Równanie ciągłości, prawo zachowania ładunku.
1.6 Przejście od napięć do potencjałów. Równania Maxwella dla potencjałów.
1.7 Transformacje kalibracyjne i warunki kalibracji.
2 Relatywistyczno-kowariantne sformułowanie elektrodynamiki
2.1 Oznaczenia.
2.2 Tensory grupy rotacyjnej SO3 i grupy 03.
2.3 Pola tensorowe.
2.4 Elektrodynamika i zasada względności.
2.5 Przekształcenia Lorentza, własności ogólne.
2.6 Transformacje własne Lorentza. Jawna forma transformacji przejścia do ruchomego układu odniesienia.
2.7 Relatywistyczne prawo dodawania prędkości. Zmniejszenie skali i czasu rozciągania.
2.8 Tensory i pola tensorowe grupy Lorentza.
2.9 Tensorowy charakter potencjałów i napięć.
2.10 Kowariantne sformułowanie równań Maxwella dla potencjałów.
2.11 Poprzeczność K, równanie ciągłości, niezmienność cechowania w równaniach Maxwella, warunki cechowania.
2.12 Ogólne rozważania na temat postaci równań Maxwella dla potencjałów.
2.13 Kowariantny zapis równań Maxwella na naprężenia.
2.14 Transformacje potencjałów i napięć podczas przejścia do ruchomego układu odniesienia.
2.15 Elektrodynamika z punktu widzenia mechaniki teoretycznej. Funkcjonał działania dla pola elektromagnetycznego.
2.16 Tensor energii i pędu. Prawa zachowania energii i pędu.
2.17 Elementy dynamiki relatywistycznej cząstki punktowej. Siła Lorentza.
3 Statyka
3.1 Podstawowe zależności.
3.2 Rozwiązanie równania Poissona.
3.3 Wielobiegunowe rozwinięcie potencjału skalarnego
w elektrostatyce. Momenty wielobiegunowe i ich własności.
3.4 Ekspansja wielopolowa potencjału wektorowego A w magnetostatyce. Moment magnetyczny dowolnego układu prądowego.
3.5 Siły i momenty sił. działanie w oparciu o źródła rozproszone.
3.6 Energia potencjalna układu ładunków lub prądów
w danym polu zewnętrznym.
3.7 Własna energia potencjalna układu ładunków lub prądów (energia we własnym polu).
3.8 Dielektryki i magnesy (statyka).
3.9 Podstawy termodynamiki dielektryków i magnesów. Siły objętościowe w dielektrykach i magnesach.
3.10 Zagadnienia brzegowe elektrostatyki i metody ich rozwiązywania....
4 Dynamika
4.1 Sformułowanie problemu, ogólna forma rozwiązania.
4.2 Opóźniona funkcja Greena operatora falowego....
4.3 Potencjały opóźnione.
4.4 Pole dowolnie poruszającego się ładunku punktowego. Potencjały Liénarda-Wiecherta. Moc promieniowania i wzór promieniowania.
4.5 Promieniowanie ze źródeł lokalnych, rozkład wielobiegunowy.
4.6 Antena liniowa ze wzbudzeniem centralnym.
4.7 Równania dynamiczne Maxwella w ośrodku.
4.8 Falowody.
Literatura Indeks przedmiotowy

Pobierz e-book za darmo w wygodnym formacie, obejrzyj i przeczytaj:
Pobierz książkę Elektrodynamika klasyczna, krótki cykl wykładów, podręcznik do nauki, Wasiliew A.N., 2010 - fileskachat.com, szybkie i bezpłatne pobieranie.