Електродинаміка

Електродинаміка - розділ фізики, що вивчає електромагнітне поле в найбільш загальному випадку (тобто, розглядаються змінні поля, що залежать від часу) і його взаємодію з тілами, що мають електричний заряд ( електромагнітне взаємодія). Предмет електродинаміки 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 взаємодія з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянуто при цьому як сукупність рухомих заряджених частинок). Будь-яке електричне і магнітне взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснюване за посередництвом електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.

Найчастіше під терміном електродинаміка за замовчуванням розуміється класична електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.

1. Основні поняття

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 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 спин.
• Електричний заряд - це властивість тіл, що дозволяє їм взаємодіяти з електромагнітними полями: створювати ці поля, будучи їх джерелами, і піддаватися ( силового) дії цих полів.
• Електромагнітний потенціал - 4-векторна фізична величина, повністю визначає розподіл електромагнітного поля в просторі. У тривимірної електродинаміки формулюванні з нього виділяють:
  • Скалярний потенціал - тимчасова компонента 4-вектора
  • Векторний потенціал - тривимірний вектор, утворений залишилися компонентами 4-вектора.
• Вектор Пойнтинга - векторна фізична величина, що має сенс щільності потоку енергії електромагнітного поля.

2. Основні рівняння

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 Гаусса (закон Гаусса) для електричного поля, що визначає генерацію електростатичного поля зарядами.
  • Закон замкнутості силових ліній магнітного поля ( соленоідального магнітного поля); він же - закон Гаусса 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, що знаходиться в електромагнітному полі.
• Закон Джоуля - Ленца, що визначає величину теплових втрат в провідному середовищі з кінцевою провідністю, при наявності в ній електричного поля.

Приватними 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 електростатична взаємодія (силу або потенційну енергію) двох точкових зарядів.
• Закон Біо - Савара - в магнітостатики - основний закон, що описує породження магнітного поля струмом (аналогічний за своєю роллю в магнітостатики закону Кулона в електростатиці).
• Закон Ампера, що визначає силу, що діє на елементарний струм, поміщений в магнітне поле.
• Теорема Пойнтинга, що виражає собою закон збереження енергії в електродинаміці.
• Закон збереження заряду.

3. 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, додатків, 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 щільності енергії, вектора Пойнтінга і т. п.

Іноді під електродинамічними ефектами (на противагу електростатиці) розуміють ті суттєві відмінності загального випадку поведінки електромагнітного поля (наприклад, динамічну взаємозв'язок між змінними електричним і магнітним полем) від статичного випадку, які роблять приватний статичний випадок набагато простішим для опису, розуміння і розрахунків.

4. Спеціальні розділи електродинаміки

• Електростатика описує властивості статичного (не мінливого з часом або мінливого досить повільно, щоб "електродинамічними" ефектами можна було знехтувати, тобто, коли в рівняннях Максвелла можна відкинути, через їх малості, члени з похідними за часом) електричного поля і його взаємодії з електрично зарядженими тілами ( електричними зарядами), які також нерухомі або рухаються з досить малими швидкостями (чи, може, якщо є і швидко рухомі заряди, але вони досить малі за величиною), щоб створювані ними поля можна було приблизно розглядати як статичні. Зазвичай при цьому мається на увазі і відсутність (або пренебрежимо малість) магнітних полів. ^[1]
• Магнітостатики досліджує постійні струми (і постійні магніти) і постійні магнітні поля (поля не змінюються в часі або змінюються настільки повільно, що швидкістю цих змін в розрахунку можна знехтувати), а також їх взаємодію.
• Електродинаміка суцільних середовищ розглядає поведінку електромагнітних полів в суцільних середовищах.
• Релятивістська електродинаміка розглядає електромагнітні поля в рухомих середовищах.

5. Прикладне значення

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.

6. Історія

Першим доказом зв'язку електричних і магнітних явищ стало експериментальне відкриття Ерстед в 1819 - 1820 породження магнітного поля електричним струмом. Він же висловив ідею про деяке взаємодії електричних і магнітних процесів в просторі, що оточує провідник, однак у досить неясною формі.

В 1831 Майкл Фарадей експериментально відкрив явище і закон електромагнітної індукції, що стали першим ясним свідченням безпосередньої динамічної взаємозв'язку електричного і магнітного полів. Він же розробив (стосовно до електричного і магнітного полів) основи концепції фізичного поля і деякі базисні теоретичні уявлення, що дозволяють описувати фізичні поля, а також 1832 передбачив існування електромагнітних хвиль.

В 1864 Дж. К. Максвелл вперше опублікував повну систему рівнянь " класичної електродинаміки ", що описує еволюцію електромагнітного поля і його взаємодію з зарядами і струмами. Він висловив теоретично обгрунтоване припущення про те, що світло є електромагнітної хвилею, тобто об'єктом електродинаміки.

В 1895 Лоренц завершив побудова класичної електродинаміки, описавши взаємодія електромагнітного поля з (рухомими) точковими зарядженими частинками.

У середині XX століття була створена квантова електродинаміка - одна з найбільш точних фізичних теорій.

Примітки

1. Хоча можна вважати, що це робиться в цілому скоріше лише для спрощення викладу, оскільки поєднання електростатики і магнітостатики (їх спільне застосування в рамках одного завдання) в принципі досить тривіально щоб не представляти труднощів, зберігаючи майже всі переваги того чи іншого наближення. Завдання ж, коли це актуально, досить часті.