Электродинамика — это фундаментальная область физики, которая исследует принципы работы электричества и магнетизма. Эти явления стали основой для многих современных технологий, которые мы используем в повседневной жизни. Без понимания электродинамики было бы невозможно создать такие привычные вещи, как транспортные средства, работающие на электричестве, или различные электронные устройства.
Что такое электродинамика
Определение:
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.
Электродинамика изучает электромагнитное поле и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Это включает в себя изучение связи между магнитными и электрическими явлениями, электромагнитного излучения, переменного электрического тока и взаимодействия тока с электромагнитным полем.
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 была впервые 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.
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 — один из фундаментальных принципов в физике, который основан на аналогии и объясняет взаимодействие между электрическими зарядами. Ещё Эпинус предполагал, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Закон Кулона применяется к точечным зарядам, размеры которых значительно меньше расстояния между ними.
- Электрическое поле. После открытия закона Кулона теория дальнодействия была заменена теорией близкодействия, предложенной Фарадеем в XIX веке. Однако всеобщее признание этой теории началось только во второй половине XIX века, после того как были экспериментально подтверждены теории Максвелла. Максвелл предположил, что электрические заряды не взаимодействуют друг с другом напрямую, а создают электрическое поле в окружающем пространстве. Он также теоретически доказал, что электромагнитные взаимодействия распространяются с конечной скоростью. Если переместить один заряд, то сила, действующая на другой заряд, изменится.
- Закон Ома для участка цепи. Согласно закону Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Сопротивление — это основная электрическая характеристика проводника, которая определяет силу тока в нём. Сопротивление зависит от геометрических размеров проводника и его материала.
- Закон Джоуля — Ленца. Этот закон определяет количество теплоты, выделяемой проводником с током в окружающую среду. Количество теплоты равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.
- Закон Ома для полной цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока, полное сопротивление цепи и электродвижущую силу (ЭДС). Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС к полному сопротивлению. Она зависит от трёх величин: сопротивления внешнего и внутреннего участков цепи и ЭДС. Внутреннее сопротивление не влияет на силу тока, если оно незначительно по сравнению с сопротивлением внешней части цепи.