Дивовижна електродинаміка: просто про складне.

Підготувала учениця 11 класу Вольвин Надія

Електродинаміка — розділ фізики, що вивчає електромагнітне поле. Включає зв’язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (в різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) і його взаємодію з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянуто при цьому як сукупність рухомих заряджених частинок). Будь-яка електрична і магнітна взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснювана за посередництвом електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.

Найчастіше під терміном «електродинаміка» за замовчуванням розуміється класична (не зачіпає квантових ефектів) електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.

Базовими поняттями класичної електродинаміки є уявлення про електричне та магнітне поле навколо заряджених тіл і провідників зі струмом.

Складається з двох частин:

І.макроскопічна електродинаміка, що базується на рівняннях Максвелла,

ІІ.класична електронна теорія.

Основними рівняннями класичної електродинаміки є рівняння Максвелла, які встановлюють зв’язок величин, що характеризують електричні та магнітні поля, з розподілом у просторі зарядів та струмів. Суть чотирьох рівнянь Максвелла для електромагнітного поля якісно зводиться до наступного:

1. Магнітне поле породжується рухомими зарядами та змінним електричним полем;
2. Електричне поле з замкнутими силовими лініями (вихрове поле) породжується змінним магнітним полем;
3. Силові лінії магнітного поля завжди замкнуті (це означає, що воно не має джерел — магнітних зарядів, подібних електричним);
4. Електричне поле з незамкненими силовими лініями (потенційне поле) породжується електричними зарядами — джерелами цього поля. З теорії Максвелла витікає скінченність швидкості розповсюдження електромагнітних взаємодій та існування електромагнітних хвиль.

Зміст Електродинаміки:

Основним змістом класичної електродинаміки є опис властивостей електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими тілами (заряджені тіла «породжують» електромагнітне поле, є його «джерелами», а електромагнітне поле в свою чергу діє на заряджені тіла, створюючи електромагнітні сили). Цей опис, окрім визначення основних об’єктів і величин, таких як електричний заряд, електричне поле, магнітне поле, електромагнітний потенціал, зводиться до рівнянь Максвелла в тій чи іншій формі і формулою сили Лоренца, а також зачіпає деякі суміжні питання (пов’язані з математичної фізики, додаткам, допоміжним величинам і допоміжним формулами, важливим для програм, як наприклад вектор щільності струму або емпіричний закону Ома). Також цей опис включає питання збереження і перенесення енергії, імпульсу, моменту імпульсу електромагнітним полем, включаючи формули для густини енергії, вектора Пойнтінга тощо.

Основні поняття, якими оперує електродинаміка, включають в себе:

• Електромагнітне поле — це основний предмет вивчення електродинаміки, вид матерії, що виявляється 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 рухомими зарядженими тілами, зарядженими тілами, що мають спін, і змінними електричними полями, впливає на рухомі заряди і заряджені тіла, що мають спін.
• Електричний заряд — це властивість тіл, що дозволяє їм взаємодіяти з електромагнітними полями: створювати ці поля, будучи їх джерелами, і піддаватися (силовій) дії цих полів.
• Електромагнітний потенціал — 4-векторна фізична величина, що повністю визначає розподіл електромагнітного поля в просторі. У тривимірній електродинаміці формулюванні з нього виділяють:
  • Скалярний потенціал — часова компонента 4-вектора
  • Векторний потенціал — тривимірний вектор, що утворений компонентами 4-вектора, які залишилися.
• Вектор Пойнтінга — векторна фізична величина, що має сенс густини потоку енергії електромагнітного поля.

Основними рівняннями, що описують поведінку електромагнітного поля і його взаємодія 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:
  • Теорема Гауса (закон Гауса) для електричного поля, що визначає створення електростатичного поля зарядами.
  • Закон замкнутості силових ліній магнітного поля (соленоїдного магнітного поля); він же — закон Гауса для магнітного поля.
  • Закон індукції Фарадея, що визначає генерацію електричного поля змінним магнітним полем.
  • Закон Ампера-Максвелла — теорема про циркуляцію магнітного поля з додаванням струмів зміщення, введених Максвеллом, визначає генерацію магнітного поля рухомими зарядами та змінним електричним полем.
• Вираз для сили Лоренца, що визначає силу, що діє на заряд, який знаходиться в електромагнітному полі.
• Закон Джоуля-Ленца, що визначає величину теплових втрат в провідному середовищі з кінцевою провідністю, при наявності в ній електричного поля.

Частковими рівняннями, що мають особливе значення є:

• Закон Кулона — в електростатиці — закон, що визначає електричне поле (напруженість та/або потенціал) точкового заряду; також законом Кулона називається і подібна формула, яка визначає електростатичну взаємодію (силу, або потенцальну енергію) двох точкових зарядів.
• Закон Біо-Савара-Лапласа — в магнітостатиці — основний закон, що описує породження магнітного поля струмом (аналогічний за своєю роллю в магнітостатиці закону Кулона в електростатиці).
• Закон Ампера, що визначає силу, яка діє на елементарний струм, поміщений у магнітне поле.
• Теорема Пойнтінга, що виражає собою закон збереження енергії в електродинаміці.
• Закон збереження заряду.

Електродинаміка лежить в основі фізичної оптики, фізики розповсюдження радіохвиль, а також пронизує практично всю фізику, так як майже у всіх розділах фізики доводиться мати справу з електричними полями і зарядами, а часто і з їх нетривіальними швидкими змінами і рухами. Крім того, електродинаміка є зразковою фізичної теорією (і в класичному і в квантовому своєму варіанті), що поєднує дуже велику точність розрахунків і прогнозів з впливом теоретичних ідей, народжених в її області, на інші галузі теоретичної фізики. Електродинаміка має величезне значення в техніці і лежить в основі: радіотехніки, електротехніки, різних галузей зв’язку та радіо.

Джерело: https://uk.wikipedia.org/wiki/