Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, изучающие основные переменные электромагнитного поля, и их взаимодействие.
Классическая электродинамика описывает все свойства электромагнитного поля и принципы его взаимосвязи с другими физическими элементами, которые несут определенный электрический заряд. Это действие можно определить посредством уравнений Максвелла, и выражения мощности Лоренца. При этом всегда применяются такие главные понятия электродинамики как: электромагнитное поле, электромагнитный потенциал, электрический заряд и вектор Пойнтинга.
К основным разделам указанного направления в физике относят:
- магнитостатику;
- электростатику;
- электродинамику сплошной среды.
Основой для оптики, как раздела науки, выступает электродинамика в виде физики радиоволн. Это научное направление считается фундаментом для электротехники и радиотехники.
Электрический заряд
Электромагнитные взаимосвязи относятся к числу самых важных действий в природе. Силы их упругости и трения, давление газа и жидкости можно свести к единому показателю электромагнитной силы между элементами вещества. Сами взаимодействия в электродинамике уже не могут образоваться в более глубоких формах взаимодействий.
Замечание 1
Таким же фундаментальным видом взаимодополнения является тяготение - гравитационное и постоянное притяжение двух физических тел.
Однако между гравитационными процессами и электромагнитными можно наблюдать несколько важных отличий:
- принимать участие в электромагнитных взаимодействиях могут только заряженные тела;
- гравитационная связь- это всегда систематическое притяжение одного тела к другому;
- электромагнитные взаимосвязи могут быть как отталкиванием, так и притяжением;
- взаимодействие в электродинамике гораздо интенсивнее гравитационного;
- каждое заряженное тело имеет определенную величину электрического заряда.
Определение 2
Электрический заряд - это конкретная физическая величина, которая более точно определяет силу электромагнитного взаимодействия между природой и объектам, единицей измерения которой является кулон (Кл)1.
Электрическое поле
Теория близкодействия одержала верх над ранее предложенными гипотезами ученых, в результате чего основным объектом, полноценно передающим взаимодействие между зарядами даже сквозь вакуум, оказалось электромагнитное поле. Решающими в данной сфере стали труды и работы двух известных ученых $XIX$ столетия - Фарадея и Максвелла. Физики смогли открыть принцип работы электрического поля с помощью экспериментальных подтверждений своих утверждений.
Неподвижные заряды не могут образовывать магнитное поля, следовательно, в этом аспекте необходимо говорить только о свойствах самого электрическом поле.
Итак, главными характеристиками поля в электродинамике являются:
- электрический заряд может создавать мощное поле вокруг себя;
- электродинамика не нуждается в какой-то конкретной среде и может возникать в веществе и в вакууме, является хорошей альтернативной формой существования всей материи;
- электрическое поле является первичным физическим объектом, которое устанавливает законы поведения динамики процессов в электрической цепи.
Источниками электрического поля считают постоянные электрические заряды, а индикатором для исследования данного явления выступает так называемый пробный заряд. По действию этого вещества можно судить о наличии электрического поля в определенном пространстве. Кроме того, посредством пробного заряда можно определить величину поля в различных сферах его взаимодействия. Естественно, данный элемент в электродинамике должен быть точечным и постоянным.
По мнению ученых, сила, оказывающая влияние на пробный заряд в электрическом поле, абсолютно пропорционально величине общего заряда. Поэтому соотношение интенсивности к потоку энергии уже не зависит от показателя заряда и является одним из свойств поля.
Напряжённость электрического поля представляет собой взаимосвязь вектора силы $\vec {F}$, с которой электромагнитное поле действует на пробный заряд $q$, к самому пробному заряду: ${{\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}.}$
Напряжение веществ в поле считается векторной величиной, где в каждой точке пространства находится определенный коэффициент пробного элемента. Поле является заданным, если можно определит зависимость указанного вектора напряжённости от заданных координат точки и от времени.
Замечание 2
Как следует из данного определения, напряжённость принято измерять в Н/кл, однако на сегодняшний день возможно исследовать только свойства этого процесса.
Проводники в электрическом поле
Электрический ток можно легко получить, если полюса батарейки замкнуть металлической проволокой, а если заменить проволоку обычной стеклянной палочкой - никакого тока не возникнет. Металл является основным проводником, а стекло выступает в роли диэлектрика.
Проводники в электродинамике отличаются от диэлектриков отсутствием лишних зарядов, заряженных элементов, положение которых никак не связано с точкой внутри самого вещества. Свободные заряды начинают активно взаимодействовать под влиянием электрического поля и могут двигаться по всему объему проводника.
Определение 3
Проводники - это в первую очередь металлы, в которых абсолютно свободными зарядами считаются только свободные электроны, которые вытекают из особенностей процесса металлической связи.
Дело в том, что валентный постоянный электрон, который расположен на электронной внешней оболочке атома металла, достаточно слабо связан с атомным ядром. При взаимосвязи атомов металла их валентные частицы остаются без оболочки, и «отправляются в свободное плавание».
Проводниками в электрическом поле выступают и электролиты, представляющие собой растворы и расплавы, свободные нано-заряды, в которых проявляется диссоциация молекул на положительные и отрицательные ионы. Если вы бросите в стакан обычной воды щепотку поваренной соли, тогда молекулы $NaCl$ постепенно распадаются на положительные ионы $Na^+$ и $Cl^−$. Под воздействием электрического поля эти показатели начнут образовывать упорядоченное движение, в результате чего возникнет электрический ток.
Природная вода выступает хорошим проводником благодаря наличию растворенных в ней солей, но не таким хорошим, как металлы. Все знают, что тело человека в основным состоит из воды, в которой также растворены определенные элементы соли. Поэтому наше тело также выступает в роли проводника электрического тока.
Стоит отметить, что благодаря наличию огромного количества свободных зарядов, которые способны перемещаться по всему пространственному объему, проводники имеют некоторые характерные общие свойствами.
Электромеханическая аналогия
Между индуктивностью $L$ в электродинамике и массой $m$ в механике нетрудно заметить определенную аналогию. Известно, что для полноценного разгона тела до определенной скорости, необходимо потратить некоторое время, так как мгновенно изменить скорость физического тела невозможно.
При неизменной интенсивности, которая приложена к телу, это время будет напрямую зависеть от массы $m$ тела. Чтобы ток в катушке смог достичь своего максимального значения, требуется время для установления индуктивности индуктивность $L$ катушки.
Скорость тела будет автоматически уменьшаться, если вещества в электрическом поле будут налетать на неподвижную стену. Стена принимает на себя весь удар, и его разрушительная сила тем сильнее, чем больше масса самого тела. На самом деле все электромеханические аналогии простираются достаточно далеко и имеют отношение не только к индуктивности и массы, но и других показателей, отказывающимися крайне полезными на практике.
Осознание единства и постоянства электрической и магнитной взаимосвязи стало первым подтвержденным примером теории объединения физических взаимодействий. На сегодняшний день доказано, что электродинамика и слабое взаимодействия при высоких энергиях объединяются в едином процессе.
Закон Кулона:
где F – сила электростатического взаимодействия между двумя заряженными телами;
q 1 , q 2 – электрические заряды тел;
ε – относительная, диэлектрическая проницаемость среды;
ε 0 =8,85·10 -12 Ф/м – электрическая постоянная;
r – расстояние между двумя заряженными телами.
Линейная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, приходящийся на участок длины dl.
Поверхностная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, приходящийся на поверхность ds.
Объемная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, в объеме dV.
Напряженность электрического поля:
где F – сила действующая на заряд q .
Теорема Гаусса:
где Е – напряженность электростатического поля;
dS – вектор, модуль которого равен площади пронизываемой поверхности, а направление совпадает с направлением нормали к площадке;
q – алгебраическая сумма заключенных внутри поверхности dS зарядов.
Теорема о циркуляции вектора напряженности:
Потенциал электростатического поля:
где W p – потенциальная энергия точечного заряда q .
Потенциал точечного заряда:
Напряженность поля точечного заряда:
.
Напряженность поля, создаваемого бесконечной прямой равномерно заряженной линией или бесконечно длинным цилиндром:
где τ – линейная плотность заряда;
r – расстояние от нити или оси цилиндра до точки, напряженность поля в которой определяется.
Напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерной заряженной плоскостью:
где σ – поверхностная плотность заряда.
Связь потенциала с напряженностью в общем случае:
E= –
gradφ= 
.
Связь потенциала с напряженностью в случае однородного поля:
E = ,
где d – расстояние между точками с потенциалами φ 1 и φ 2 .
Связь потенциала с напряженностью в случае поля, обладающего центральной или осевой симметрией:
Работа сил поля по перемещению заряда q из точки поля с потенциалом φ 1 в точку с потенциалом φ 2:
A=q(φ 1 – φ 2).
Электроемкость проводника:
где q – заряд проводника;
φ – потенциал проводника при условии, что в бесконечности потенциал проводника принимается равным нулю.
Электроемкость конденсатора:
где q – заряд конденсатора;
U – разность потенциалов между пластинами конденсатора.
Электроемкость плоского конденсатора:
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между пластинами;
d – расстояние между пластинами;
S – суммарная площадь пластин.
Электроемкость батареи конденсаторов:
б) при параллельном соединении:
Энергия заряженного конденсатора:
,
где q – заряд конденсатора;
U – разность потенциалов между пластинами;
C – электроемкость конденсатора.
Сила постоянного тока:
где dq – заряд, протекший через поперечное сечение проводника за время dt .
Плотность тока:
где I – сила тока в проводнике;
S – площадь проводника.
Закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС:
где I – сила тока на участке;
U
R – сопротивление участка.
Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС:
где I – сила тока на участке;
U – напряжение на концах участка;
R – полное сопротивление участка;
ε – ЭДС источника.
Закон Ома для замкнутой (полной) цепи:
где I – сила тока в цепи;
R – внешнее сопротивление цепи;
r – внутреннее сопротивление источника;
ε – ЭДС источника.
Законы Кирхгофа:
2. 
,
где – алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле;
– алгебраическая сумма падений напряжений в контуре;
– алгебраическая сумма ЭДС в контуре.
Сопротивление проводника:
где R – сопротивление проводника;
ρ – удельное сопротивление проводника;
l – длина проводника;
S
Проводимость проводника:
где G – проводимость проводника;
γ – удельная проводимость проводника;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Сопротивление системы проводников:
а) при последовательном соединении:
а) при параллельном соединении:
Работа тока:
,
где A – работа тока;
U – напряжение;
I – сила тока;
R – сопротивление;
t – время.
Мощность тока:
.
Закон Джоуля – Ленца
где Q – количество выделившейся теплоты.
Закон Ома в дифференциальной форме:
j =γE ,
где j – плотность тока;
γ – удельная проводимость;
E – напряженность электрического поля.
Связь магнитной индукции с напряженность магнитного поля:
B =μμ 0 H ,
где B – вектор магнитной индукции;
μ– магнитная проницаемость;
H – напряженность магнитного поля.
Закон Био – Савара – Лапласа:
,
где dB – индукция магнитного поля, создаваемая проводником в некоторой точке;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 =4π·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная;
I – сила тока в проводнике;
dl – элемент проводника;
r – радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку, в которой определяется индукция магнитного поля.
Закон полного тока для магнитного поля (теорема о циркуляции вектора B ):
,
где n – число проводников с токами, охватываемых контуром L произвольной формы.
Магнитная индукция в центре кругового тока:
где R – радиус кругового витка.
Магнитная индукция на оси кругового тока:
,
где h – расстояние от центра витка до точки, в которой определяется магнитная индукция.
Магнитная индукция поля прямого тока:
где r 0 – расстояние от оси провода до точки, в которой определяется магнитная индукция.
Магнитная индукция поля соленоида:
B= μμ 0 nI,
где n – отношение числа витков соленоида к его длине.
Сила Ампера:
dF =I,
где dF – сила Ампера;
I – сила тока в проводнике;
dl – длина проводника;
B – индукция магнитного поля.
Сила Лоренца:
F =qE +q [v B ],
где F – сила Лоренца;
q – заряд частицы;
E – напряженность электрического поля;
v – скорость частицы;
B – индукция магнитного поля.
Магнитный поток:
а) в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности:
Φ=B n S ,
где Φ –магнитный поток;
B n – проекция вектора магнитной индукции на вектор нормали;
S – площадь контура;
б) в случае неоднородного магнитного поля и произвольной проекции:
Потокосцепления (полный поток) для тороида и соленоида:
где Ψ – полный поток;
N – число витков;
Φ – магнитный поток, пронизывающий один виток.
Индуктивность контура:
Индуктивность соленоида:
L= μμ 0 n 2 V,
где L – индуктивность соленоида;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 – магнитная постоянная;
n – отношение числа витков к его длине;
V – объем соленоида.
Закон электромагнитной индукции Фарадея:
где ε i – ЭДС индукции;
– изменение полного потока в единицу времени.
Работа по перемещению замкнутого контура в магнитном поле:
A=I ΔΦ,
где A – работа по перемещению контура;
I – сила тока в контуре;
ΔΦ – изменение магнитного потока, пронизывающего контур.
ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля:
Объемная плотность энергии магнитного поля:
,
где ω – объемная плотность энергии магнитного поля;
B – индукция магнитного поля;
H – напряженность магнитного поля;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 – магнитная постоянная.
3.2. Понятия и определения
? Перечислите свойства электрического заряда.
1. Существуют заряды двух типов – положительные и отрицательные.
2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.
3.Заряды обладают свойством дискретности – все кратны наименьшему элементарному.
4. Заряд инвариантен, его величина не зависит от системы отсчета.
5. Заряд аддитивен - заряд системы тел равен сумме зарядов всех тел системы.
6. Полный электрический заряд замкнутой системы есть величина постоянная
7. Неподвижный заряд – источник электрического поля, движущийся заряд – источник магнитного поля.
? Сформулируйте закон Кулона.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Направлена сила вдоль линии, соединяющей заряды.
? Что такое электрическое поле? Напряженность электрического поля? Сформулируйте принцип суперпозиции напряженности электрического поля.
Электрическое поле – вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действие одних зарядов на другие. Напряженность – силовая характеристика поля, равная силе, действующий на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Принцип суперпозиции – напряженность поля, создаваемая системой точечных зарядов, равна векторной сумме напряженностей поля каждого заряда.
? Что называют силовыми линиями напряженности электростатического поля? Перечислите свойства силовых линий.
Линия, касательная в каждой точке которых совпадает с направлением вектора напряженности поля называется силовой. Свойства силовые линии – начинаются на положительных, заканчиваются на отрицательных зарядах, не прерываются, не пересекаются друг с другом.
? Дайте определение электрического диполя. Поле диполя.
Система из двух равных по модулю, противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до точек, где наблюдается действие этих зарядов.Вектор напряженности имеет направление, противоположное вектору электрического момента диполя (который, в свою очередь, направлен от отрицательного заряда к положительному).
? Что такое потенциал электростатического поля? Сформулируйте принцип суперпозиции потенциала.
Скалярная величина, численно равная отношению потенциальной энергии электрического заряда, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда. Принцип суперпозиции – потенциал системы точечных зарядов в некоторой точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов, которые создали бы по отдельности эти заряды в этой же точке пространства.
? Какова связь между напряженностью и потенциалом?
E =- (E -напряженность поля в данной точке поля, j - потенциал в этой точке.)
? Определите понятие «поток вектора напряженности электрического поля». Сформулируйте электростатическую теорему Гаусса.
Для произвольной замкнутой поверхности поток вектора напряженности E электрического поля Ф Е = . Теорема Гаусса:
= (здесь Q i – заряды, охваченные замкнутой поверхностью). Справедлива для замкнутой поверхности любой формы.
? Какие вещества называют проводниками? Как распределены заряды и электростатическое поле в проводнике? Что такое электростатическая индукция?
Проводники -вещества, в которых под действием электрического поля могут двигаться упорядоченно свободные заряды. Под действием внешнего поля заряды перераспределяются, создавая собственное поле, равное по модулю внешнему и направленное противоположно. Поэтому результирующая напряженность внутри проводника равна 0.
Электростатическая индукция - вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела.
? Что такое электроемкость уединенного проводника, конденсатора. Как определить емкость плоского кондесатора, батареи конденсаторов, соединенных последовательно, параллельно? Единица измерения электроемкости.
Уединенный проводник: где С –емкость, q - заряд, j - потенциал. Единица измерения – фарад [Ф ]. (1 Ф – емкость проводника, у которого потенциал возрастает на 1 В при сообщении проводнику заряда 1 Кл).
Емкость плоского конденсатора . Последовательное соединение: 
. Параллельное соединение: С общ =С
1 +С
2 +…+С
n
? Какие вещества называют диэлектриками? Какие типы диэлектриков вы знаете? Что такое поляризация диэлектриков?
Диэлектрики - вещества, в которых при обычных условиях нет свободных электрических зарядов. Существуют диэлектрики полярные, неполярные, сегнетоэлектрики. Поляризацией называется процесс ориентации диполей под воздействием внешнего электрического поля.
? Что такое вектор электрического смещения? Cформулируйте постулат Максвелла.
Вектор электрического смещения D характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика. Постулат Максвелла: . Физический смысл – выражает закон создания электрических полей действием зарядов в произвольных средах.
? Сформулируйте и поясните граничные условия для электростатического поля.
При переходе электрического поля через границу раздела двух диэлектрических сред вектор напряженности и смещения скачкообразно меняются по величине и направлению. Соотношения, характеризующие эти изменения, называются граничными условиями. Их 4:
(3), (4)
? Как определяется энергия электростатического поля? Плотность энергии?
Энергия W= (E- напряженность поля, e-диэлектрическая проницаемость, e 0 -электрическая постоянная, V - объем поля), плотность энергии
? Определите понятие «электрический ток». Виды токов. Характеристики электрического тока. Какое условие необходимо для его возникновения и существования?
Ток - упорядоченное движение заряженных частиц. Виды – ток проводимости, упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике, конвекционный – возникает при перемещении в пространстве заряженного макроскопического тела. Для возникновения и существования тока необходимо наличие заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, и наличие электрического поля, энергия которого восполняясь, расходовалась бы на это упорядоченное движение.
? Приведите и поясните уравнение непрерывности. Сформулируйте условие стационарности тока в интегральной и дифференциальной формах.
Уравнение непрерывности . Выражает в дифференциальной форме закон сохранения заряда. Условие стационарности (постоянства) тока в интегральной форме: и дифференциальной - .
? Запишите закон Ома в интегральной и дифференциальной формах.
Интегральная форма – (I –ток, U - напряжение, R -сопротивление). Дифференциальная форма - (j -плотность тока, g- удельная электрическая проводимость, E - напряженность поля в проводнике).
? Что такое сторонние силы? ЭДС?
Сторонние силы разделяют заряды на положительные и отрицательные. ЭДС- отношение работы по перемещению заряда вдоль всей замкнутой цепи к его величине
? Как определяется работа и мощность тока?
При перемещении заряда q по электрической цепи, на концах которой действует напряжение U , электрическим полем совершается работа , мощность тока (t-время)
? Сформулируйте правила Кирхгофа для разветвленных цепей. Какие законы сохранения заложены в правилах Кирхгофа? Сколько независимых уравнений надо составить на основе первого и второго законов Кирхгофа?
1. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.
2. В любом произвольно выбранном замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжений равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре. Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. Число уравнений в сумме должно быть равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и ЭДС).
? Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Понятие о плазме.
Электрический ток в газах – направленное движение свободных электронов и ионов. При нормальных условиях газы – диэлектрики, проводниками становятся после ионизации. Ионизация – процесс образования ионов путем отделения электронов от молекул газа. Происходит вследствие воздействия внешнего ионизатора – сильного нагрева, рентгеновского или ультрафиолетового облучения, бомбардировки электронами. Рекомбинация – процесс, обратный ионизации. Плазма – представляет собой полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
? Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
Носители тока в вакууме – электроны, вылетевшие вследствие эмиссии с поверхности электродов. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми металлами.
? Что вы знаете о явлении сверхпроводимости?
Явление, при котором сопротивление некоторых чистых металлов (олово, свинец, алюминий) падает до нуля при температурах, близких к абсолютному нулю.
? Что вы знаете об электрическом сопротивлении проводников? Что такое удельное сопротивление, зависимость его от температуры, удельная электрическая проводимость? Что вы знаете о последовательном и параллельном соединении проводников. Что такое шунт, дополнительное сопротивление?
Сопротивление - величина, прямо пропорциональная длине проводника l
и обратно пропорциональная площади S
поперечного сечения проводника: (r-удельное сопротивление). Проводимость- величина, обратная сопротивлению. Удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1 м сечением 1 м 2). Удельное сопротивление зависит от температуры , здесь a - температурный коэффициент, R
и R
0 , r и r 0 –сопротивления и удельные сопротивления при t
и 0 0 С. Параллельное - 
, последовательное R=R
1 +R
2 +…+R n
. Шунт- резистор, подключаемый параллельно электроизмерительному прибору, для отведения части электрического тока, чтобы расширить пределы измерений.
? Магнитное поле. Какие источники могут создавать магнитное поле?
Магнитное поле – особый вид материи, посредством которой взаимодействуют движущиеся электрические заряды. Причина существования постоянного магнитного поля неподвижный проводник с постоянным электрическим током, или постоянные магниты.
? Сформулируйте закон Ампера. Как взаимодействуют проводники, по которым ток течет в одном (противоположном) направлении?
На проводник с током действует сила Ампера, равная .
B - магнитная индукция, I- ток в проводнике, Dl –длина участка проводника, a-угол между магнитной индукцией и участком проводника. В одном направлении -притягиваются, в противоположном – отталкиваются.
? Дайте определение силы Ампера. Как определить ее направление?
Это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Направление определяем так: ладонь левой руки располагаем так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца были направлены по току в проводнике. Отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.
? Поясните движение заряженных частиц в магнитном поле. Что такое сила Лоренца? Как находится ее направление?
Движущаяся заряженная частица создает свое собственное магнитное поле. Если ее поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие полей проявится в возникновении силы, действующей на частицу со стороны внешнего поля – силы Лоренца. Направление – по правилу левой руки. Для положительного заряда- вектор B входит в ладонь левой руки, четыре пальца направлены по движению положительного заряда (вектору скорости), отогнутый большой палец показывает направление силы Лоренца. На отрицательный заряд та же сила действует в обратном направлении.
(q
-заряд, v
-скорость, B
- индукция, a- угол между направлением скорости и магнитной индукции).
? Рамка с током в однородном магнитном поле. Как определяется магнитный момент?
Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Вращающий момент определяется формулой: M =p m xB , где p m - вектор магнитного момента рамки с током, равный ISn (ток на площадь поверхности контура, на единичную нормаль к контуру), B -вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля.
? Что такое вектор магнитной индукции? Как определить его направление? Как графически изображают магнитное поле?
Вектор магнитной индукции – это силовая характеристика магнитного поля. Магнитное поле наглядно изображают с помощью силовых линий. В каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
? Сформулируйте и поясните закон Био – Савара - Лапласа.
Закон Био – Савара - Лапласа позволяет рассчитать для проводника с током I
магнитную индукцию поля dB
, создаваемого в произвольной точке поля dl
проводника: (здесь m 0 -магнитная постоянная, m-магнитная проницаемость среды). Направление вектора индукции определяется по правилу правого винта, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.
? Сформулируйте принцип суперпозиции для магнитного поля.
Принцип суперпозиции - магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:
? Поясните основные характеристики магнитного поля: магнитный поток, циркуляция магнитного поля, магнитная индукция.
Магнитным потоком Ф через какую-либо поверхность S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла a между векторами B и n (внешней нормалью к поверхности). Циркуляцией вектора B по заданному замкнутому контуру называется интеграл вида , где dl - вектор элементарной длины контура. Теорема о циркуляции вектора B : циркуляция вектора B по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром. Вектор магнитной индукции – это силовая характеристика магнитного поля. Магнитное поле наглядно изображают с помощью силовых линий. В каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
? Запишите и прокомментируйте условие соленоидальности магнитного поля интегральной и дифференциальной формах.
Векторные поля, в которых отсутствуют источники и стоки, называют соленоидальными. Условие соленоидальности магнитного поля в интегральной форме: и дифференциальной форме:
? Магнетики. Виды магнетиков. Феромагнетики и их свойства. Что такое гистерезис?
Вещество является магнетиком, если оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.Намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля – парамагнетиками. Эти два класса называют слабомагнитными веществами. Сильномагнитные вещества, намагниченные даже при отсутствии внешнего магнитного поля, называют ферромагнетиками. Магнитный гистерезис – различие в значениях намагниченности ферромагнетика при одной и той же напряженности Н намагничивающего поля в зависимости от значения предварительной намагниченности. Такая графическая зависимость называется петлей гистерезиса.
? Сформулируйте и поясните закон полного тока в интегральной и дифференциальной формах (основные ур-я магнитостатики в веществе).
? Что такое электромагнитная индукция? Сформулируйте и поясните основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея). Сформулируйте правило Ленца.
Явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном в постоянном магнитном поле называют электромагнитной индукцией. Закон Фарадея: какова бы не была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре ЭДС
Знак минус определяется правилом Ленца – индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
? В чем заключается явление самоиндукции? Что такое индуктивность, единицы измерения? Токи при замыкании и размыкании электрической цепи.
Возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре под действием собственного магнитного поля при его изменении, происходящем в результате изменения в проводнике силы тока. Индуктивность – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров проводника или контура, [Гн]. В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи. Поэтому величина силы тока не может меняться мгновенно (механический аналог – инертность).
? Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции.
Если два неподвижных контура расположены близко друг к другу, то при изменении силы тока в одном контуре, возникает ЭДС в другом контуре. Это явление называется взаимной индукцией. Коэффициенты пропорциональности L 21 и L 12 называют взаимной индуктивностью контуров, они равны.
? Запишите уравнения Максвелла в интегральной форме. Поясните их физический смысл.
; 
;
; .
Из теории Максвелла следует, что электрическое и магнитное поле нельзя рассматривать как независимые – изменение во времени одного приводит к изменению другого.
? Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля.
Энергия , L –индуктивность, I – сила тока.
Плотность 
, В
– магнитная индукция, Н
– напряженность магнитного поля, V
-объем.
? Принцип относительности в электродинамике
Общие закономерности электромагнитных полей описываются уравнениями Максвелла. В релятивистской электродинамике установлено, что релятивистская инвариантность этих уравнений имеет место только при условии относительности электрических и магнитных полей, т.е. при зависимости характеристик этих полей от выбора инерциальных систем отсчета. В подвижной системе электрическое поле такое же, как в неподвижной, но в подвижной системе имеется магнитное поле, которого в неподвижной системе нет.
Колебания и волны
Определение 1
Электродинамика – это огромная и важная область физики, в которой исследуются классические, неквантовые свойства электромагнитного поля и движения положительно заряженных магнитных зарядов, взаимодействующих друг с другом с помощью этого поля.
Рисунок 1. Коротко про электродинамику. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Электродинамика представляется широким комплексом разнообразных постановок задач и их грамотных решений, приближенных способов и частных случаев, которые объединены в одно целое общими начальными законами и уравнениями. Последние, составляя основную часть классической электродинамики, подробно представлены в формулах Максвелла. В настоящее время ученые продолжают изучать принципы указанной области в физике, скелет ее построения взаимоотношения с другими научными направлениями.
Закон Кулона в электродинамике обозначается таким образом: $F= \frac {kq1q2} {r2}$, где $k= \frac {9 \cdot 10 (H \cdot m)} {Кл}$. Уравнение напряженности электрического поля записывается так: $E= \frac {F}{q}$, а поток вектора индукции магнитного поля $∆Ф=В∆S \cos {a}$.
В электродинамике в первую очередь изучаются свободные заряды и системы зарядов, которые содействуют активизации непрерывного энергетического спектра. Классическому описанию электромагнитного взаимодействия благоприятствует то, что оно является эффективным уже в низкоэнергетическом пределе, когда энергетический потенциал частиц и фотонов мал по сравнению с энергией покоя электрона.
В таких ситуациях зачастую отсутствует аннигиляция заряженных частиц, так как присутствует только постепенное изменение состояния их нестабильного движения в итоге обмена большим количеством низкоэнергетических фотонов.
Замечание 1
Однако и при высоких энергиях частиц в среде, несмотря на существенную роль флуктуации, электродинамика может быть использована с успехом для комплексного описания среднестатистических, макроскопических характеристик и процессов.
Основные уравнения электродинамики
Основными формулами, которые описывают поведение электромагнитного поля и его прямое взаимодействие с заряженными телами, являются уравнения Максвелла, определяющие вероятные действия свободного электромагнитного поля в среде и вакууме, а также общую генерацию поля источниками.
Среди этих положений в физике возможно выделить:
- теорема Гаусса для электрического поля - предназначена для определения генерации электростатического поля положительными зарядами;
- гипотеза замкнутости силовых линий – содействует взаимодействию процессов внутри самого магнитного поля;
- закон индукции Фарадея – устанавливает генерацию электрического и магнитного поля переменными свойствами окружающей среды.
В целом, теорема Ампера - Максвелла - это уникальная идея о циркуляции линий в магнитном поле с постепенным добавлением токов смещения, введенных самим Максвеллом, точно определяет трансформацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным действием электрического поля.
Заряд и сила в электродинамике
В электродинамике взаимодействие силы и заряда электромагнитного поля исходит из следующего совместного определения электрического заряда $q$, энергии $E$ и магнитного $B$ полей, которые утверждаются в качестве основополагающего физического закона, основанного на всей совокупности экспериментальных данных. Формулу для силы Лоренца (в пределах идеализации точечного заряда, движущегося с определенной скоростью), записывают с заменой скорости $v$.
В проводниках зачастую содержится огромное количество зарядов, следовательно, эти заряды достаточно хорошо скомпенсированы: число положительных и отрицательных зарядов всегда равны между собой. Следовательно, суммарная электрическая сила, которая постоянно действует на проводник, равна также нулю. Магнитные же силы, функционирующие на отдельных зарядов в проводнике, в итоге не компенсируются, ведь при наличии тока скорости движения зарядов всегда различны. Уравнение действия проводника с током в магнитном поле можно записать так: $G = |v ⃗ |s \cos{a} $
Если исследовать не жидкость, а полноценный и стабильный поток заряженных частиц в качестве тока, то весь энергетический потенциал, проходящий линейно через площадку за $1с$,- и будет являться силой тока, равной: $I = ρ| \vec {v} |s \cos{a} $, где $ρ$ - плотность заряда (в единице объема в общем потоке).
Замечание 2
Если магнитное и электрическое поле систематически меняется от точки к точке на конкретной площадке, то в выражениях и формулах для частичных потоков, как и в случае с жидкостью, в обязательном порядке проставляются средние показатели $E ⃗ $и $B ⃗$ на площадке.
Особое положение электродинамике в физике
Значимое положение электродинамики в современной науке возможно подтвердить посредством известного произведения А. Эйнштейна, в котором были детально изложены принципы и основы специальной теории относительности. Научный труд выдающегося ученого называется «К электродинамике подвижных тел», и включает в себя огромное количество важных уравнений и определений.
Как отдельная область физики электродинамика состоит из таких разделов:
- учение о поле неподвижных, но электрически заряженных физических тел и частиц;
- учение о свойствах электрического тока;
- учение о взаимодействии магнитного поля и электромагнитной индукции;
- учение об электромагнитных волнах и колебаниях.
Все вышеуказанные разделы в одно целое объединяет теорема Д. Максвелла, который не только создал и представил стройную теорию электромагнитного поля, но и описал все его свойства, доказав его реальное существование. Работа именно этого ученого показала научному миру, что известные на тот момент электрическое и магнитное поля являются всего лишь проявлением единого электромагнитного поля, функционирующего в различных системах отсчета.
Существенная часть физики посвящена изучению электродинамики и электромагнитных явлений . Эта область в значительной мере претендует на статус отдельной науки, так как она не только исследует все закономерности электромагнитных взаимодействий, но и детально описывает их посредством математических формул. Глубокие и многолетние исследования электродинамики открыли новые пути для использования электромагнитных явлений на практике, для блага всего человечества.
Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday , 22 сентября 1791, Лондон - 25 августа 1867, Лондон) - английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского
королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.
Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца - Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца), ввёл понятие о «местном времени», получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца). Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.
Он также предсказал «квантовую телепортацию», предсказал и измерил гиромагнитный эффект Эйнштейна - де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Активно выступал против войны, против применения ядерного оружия, за гуманизм, уважение прав человека, взаимопонимание между народами.
Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Пятигорский филиал ГБОЛ ВПО ВолгГМУ Минздрава РФ
Реферат на тем у :
«Электродинамика»
Выполнила:
Студентка 211 группы
Монина Марина
1. История электродинамики
2. Электростатика
3. Законы постоянного тока
1. История электродинамики
Электродинамика - это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами и частицами.
В электродинамике существует четыре типа взаимодействия:
Гравитационное
Электромагнитное
Слабое (взаимодействие между элементарными частицами)
Электромагнитное взаимодействие самое главное на земле.
Электродинамика берёт своё начало в Древней Греции. В переводе слово электрон - янтарь. Кроме янтаря притягиваются также и многие другие тела. К наэлектризованным телам притягиваются как лёгкие, так и тяжёлые предметы. В 1729 году Грей обнаружил передачу зарядов на расстоянии. Шарль Дюфрэ обнаруживает два рода зарядов: стеклянное и смоляное. Стеклянное представляется как положительный, а смоляное - как отрицательный заряд. В дальнейшем Джеймс Клерк Максвелл завершает создание теории электродинамики, но использование электродинамики начинается только во второй половине XIX века. Максвелл обратил внимание на недостатки классической электродинамики. Несоответствие закону сохранения заряда было достаточным аргументом для того, чтобы усомниться в ее истинности, поскольку законы сохранения носят весьма общий характер.
Математическими следствиями из видоизмененной системы уравнений Максвелла было утверждение о сохранении энергии в электромагнитных процессах и теоретический вывод о возможности независимого от зарядов и токов существования поля в виде электромагнитных волн в пустом пространстве. Это последнее предсказание нашло блестящее экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах Герца и Попова, положивших основу современной радиосвязи. Рассчитываемая из системы скорость распространения электромагнитных волн оказалась равной экспериментально измеренной скорости распространения света в вакууме, что означало объединение практически ранее независимых разделов физики электромагнетизма и оптики в одну законченную теорию.
Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани, относящихся к концу XVIII в. Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII в., он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки№ мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.
3аинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.
Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за медные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления.
Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда медный крючок касался железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.
Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. Электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.
Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани, Алессандро Вольта. Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.
Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только «прибором», регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.
Вольт предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.
Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на это то серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.
Не согласившись с теорией «животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.
В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость - флюид, которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится, электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.
Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение.
В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).
Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала, Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.
Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.
Но на опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость.
Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела, и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода.
Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом электрическое равновесие все время нарушается, и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.
Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока - гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб.
Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.
Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор, пока цепь не разомкнется».
Изобретение Вольтова столба, первого источника постоянного тока, имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.
Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.
К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманного Вольтой.
В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.
После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.
Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем.
Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.
Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через электролиты.
Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.
Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.
Наиболее важным событием, приведшим вскоре к новым представлениям об электрических и магнитными явлениях, было открытие магнитного действия электрического тока.
2. Электростатика
Электростатика - часть электродинамики, которая изучает неподвижные электрические заряды.
Электрический заряд
Частицы взаимодействующие друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышающие силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд без частицы не существует. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Наличие электрического заряда у частиц означает существование определённых силовых взаимодействий между ними. В свободном состоянии, могут, не ограничено долго существовать, только электроны и протоны. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.
Заряженные тела
Электромагнитные силы играют огромную роль в природе благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, т.к. тела в обычном состоянии электрически нейтральны. Положительно и отрицательно заряженные частицы связанны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда.
Для того чтобы наэлектризовать тело, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения.
Закон сохранения электрического заряда
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для замкнутой системы. Справедливость закона сохранения электрического заряда подтверждает наблюдение над огромным числом превращений элементарных частиц.
Закон Кулона
Основным законом электростатики является экспериментально установленный закон французского физика Шарля Кулона в 1785 г. XVIII
Однако история его открытия начинается раньше. Эта история показывает один из путей, по которому развивается физика, - путь применения аналогии. Эпинус уже догадывался о том, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И эта догадка возникла на основе некоторой аналогии между силами тяготения и электрическими силами. Но аналогия не является доказательством. Вывод из аналогии всегда требует проверки. Опираясь только на аналогию, можно прийти и к неверным результатам. Эпинус не проверил справедливость данной аналогии, и поэтому его высказывание имело только предположительный характер.
Закон Кулона применим для точечных зарядов. Точечные заряды - размеры тел, которых во много раз меньше чем расстояние между ними. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме прямо пропорционально произведению модулей зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
С помощью крутильных весовІ удалось установить друг с другом неподвижные заряженные тела. Кулон нашёл простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4 и более раз, соединяя его с таким же не заряженным шариком. Заряд при этом распределяется поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении.
Один Кулон - это заряд проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока один Ампер за одну секунду.
Электрическое поле
После открытия закона Кулона теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIX в. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIX в., после экспериментального доказательства теории Максвелла.
Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.
Успех к теории близкодействия пришёл после изучения электронных взаимодействий движущихся заряженных частиц. Сначала было доказано существование переменных во времени полей и только после этого был сделан вывод о реальности электрического поля неподвижных зарядов. Основываясь на идеях Фарадея, Максвелл сумел теоретически доказать, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью. Это означает, что если слегка передвинуть один заряд, то сила, действующая на другой заряд, изменится, но не в то же мгновение, а лишь спустя некоторое время.
Существование определённого процесса, в пространстве между взаимодействующие телами, которым делится конечное время, - вот главное, что отличает теорию близкодействия от теории действия на расстоянии. Главное свойство электрического поля - действия его на электрические заряды с некоторой силой. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создаётся только электрическим зарядом. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано.
Согласно теории близкодействия взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электрического поля.
Электрическое поле - это особая форма материи, существующая независимо от наших представлениях о нём. Доказательством реальности электрического поля - конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий.
Напряжённость электрического поля
Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на заряд. Если поочерёдно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо пропорциональна этому заряду. Отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту характеристику называют напряжённостью электрического поля. Подобно силе, напряжённость поля - векторная величина. Напряжённость поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.
Силовые линии электрического поля
Электрическое поле не видимо для человеческого глаза. Тем не менее распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с векторами напряжённости. Эти линии называются силовыми линиями электрического поля или линиями напряжённости. Электрическое поле, напряжённость которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным.
3. Законы постоянного тока
Электрический ток
При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос с одного места в другое. Если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, свободные электроны в металле, то перенос заряда не происходит. Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника только в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении. В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.
Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц. Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов. Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Электрический ток существует по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают:
а) проводник, по которому течет ток, нагревается
б) электрический ток может изменять химический состав проводника
в) ток показывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела
Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным.
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.
Сила тока равна отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным. Сила тока - скалярная величина. Она может быть как отрицательной и положительной. Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника. Сила тока выражают в амперах. Это единицу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов. Силу тока измеряют амперметрами. Скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала (около 0,1 мм/с). Сила тока - основная количественная характеристика электрического тока.
Для существования и возникновения постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц. Для создания и поддержания упорядоченного движения, заряженных частиц, необходима сила, действующая на них в определённом направлении. Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц. Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов. Когда разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.
Закон Ома для участка цепи
Для каждого проводника существует определённая зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает вольт-амперная характеристика проводника.
Её находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые, вольт-амперную характеристику для металлов, установил немецкий учёный Георг Ом.
Согласно закону Ома для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Основная электрическая характеристика проводника - сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой меру противодействия проводника установлению в нём электрического тока. Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром один метр, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба. Единица сопротивления проводника, на основе закона Ома, называют ом. Единицей удельного сопротивления является Ом * м. Закон Ома позволяет нам определить сопротивление проводника.
Измерение силы тока
Для измерения силы тока в проводнике амперметр включают последовательно с этим проводником. Если подключить амперметр к розетке, то произойдёт короткое замыкание.
Для того чтобы измерить напряжение на участке цепи с сопротивлением, к нему параллельно подключают вольтметр. Напряжение на вольтметре совпадает с напряжением на участке цепи.
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу, её принято называть работой тока. Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Любой электрический прибор рассчитан на потребление определённой энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощность тока.
Мощность тока - равна отношению работы тока за время к этому интервалу времени.
Электрическое поле заряженных частиц не способно поддерживать постоянный ток в цепи. Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения называют сторонними силами.
При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил, а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой. Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду. Электродвижущая сила гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальные и их работа зависит от формы траектории. Постоянный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы.
Закон Джоуля - Ленца
Закон Джоуля - Ленца - это закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду.
Закон Джоуля - Ленца сформулирован следующим образом: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
Закон Ома для полной цепи
Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением в отличие от внешнего сопротивления цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи. Эта связь может быть установлена теоретически, если использовать закон сохранения энергии и закон Джоуля - Ленца. Произведение силы тока и сопротивления участка цепи называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к её полному сопротивлению. Сила тока зависит от трёх величин: ЭДС, сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи.
Заключение
электродинамика проводник сопротивление
Рассмотрев всё выше сказанное, мы видим, что законы электродинамики в основном зависят друг от друга и для открытия нового закона приходиться рассматривать и проверять все законы чуть ли ни с самого начала. Мы так же понимаем, что без всех этих законов в наше время, можно так сказать, не прожить. Они применяются везде. У каждого человека есть своё магнитное поле. Но кроме учёных никто и не задумывается над тем, что если бы не было всего этого люди так бы и остановились на первых стадиях развития.
Цель, поставленная перед работой, рассмотреть один из основных разделов физики - электродинамики, можно сказать, выполнена, и каждый прочитавший её сможет понять всю важность и суть физики, в общем, и каждого закона или какого либо открытия в отдельности.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Напряженность электрического поля. Напряженность поля точечного заряда. Линии напряженности силовые линии. Энергия взаимодействия системы зарядов. Циркуляция напряженности поля.
презентация , добавлен 23.10.2013
Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения заряда. Електрическое поле. Напряженность электрического поля. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции полей. Электромагнитная индукция. Магнитный поток.
учебное пособие , добавлен 06.02.2009
Понятие электрического заряда, единица его измерения. Закон сохранения алгебраической суммы заряда в замкнутой системе. Перераспределение зарядов между телами при их электризации. Особенности взаимодействия зарядов. Основные свойства электрического поля.
презентация , добавлен 07.02.2015
Основные понятия и специальные разделы электродинамики. Условия существования электрического тока, расчет его работы и мощности. Закон Ома для постоянного и переменного тока. Вольт-амперная характеристика металлов, электролитов, газов и вакуумного диода.
презентация , добавлен 30.11.2013
Понятие электрической цепи и электрического тока. Что такое электропроводность и сопротивление, определение единицы электрического заряда. Основные элементы цепи, параллельное и последовательное соединения. Приборы для измерения силы тока и напряжения.
презентация , добавлен 22.03.2011
Электромагнитное поле. Система дифференциальных уравнений Максвелла. Распределение потенциала электрического поля. Распределения потенциала и составляющих напряженности электрического поля и построение графиков для каждого расстояния. Закон Кулона.
курсовая работа , добавлен 12.05.2016
Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме, закон Кулона. Сложение электростатических полей, принцип суперпозиции. Электростатическое поле диполя, взаимодействие диполей. Напряженность электростатического поля.
презентация , добавлен 13.02.2016
Силовые линии напряженности электрического поля для однородного электрического поля и точечных зарядов. Поток вектора напряженности. Закон Гаусса в интегральной форме, его применение для полей, созданных телами, обладающими геометрической симметрией.
презентация , добавлен 19.03.2013
Электрический заряд и закон его сохранения в физике, определение напряженности электрического поля. Поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Свойства магнитного поля, движение заряда в нем. Ядерная модель атома и реакции с его участием.
контрольная работа , добавлен 14.12.2009
Работа сил электрического поля при перемещении заряда. Циркуляция вектора напряжённости электрического поля. Потенциал поля точечного заряда и системы зарядов. Связь между напряжённостью и потенциалом электрического поля. Эквипотенциальные поверхности.
