EINFÜHRUNG Elektrotheorie Magnetfeld als Teil der Lehrveranstaltung „Physikalische Grundlagen der Quantenelektronik“. Der Schwerpunkt liegt auf elektromagnetischen Wellen und deren optischer Reichweite. Verbindung der elektromagnetischen Feldtheorie mit anderen Teilgebieten der Physik. Optische Medien. Rolle Elektromagnetische Wellen. Vergleich mit akustischen und anderen Wellen (Wellentheorie). Photonen sind Elementarteilchen (und keine Quasiteilchen wie Phononen). Äther und Vakuum. Lineare und nichtlineare Wellen.

Maxwellsche Gleichungen in einem kontinuierlichen Medium SGS SI Gaußsches Gesetz Elektrische Ladung ist eine Quelle elektrischer Induktion Gaußsches Gesetz für ein Magnetfeld Es gibt keine magnetischen Ladungen Faradaysches Induktionsgesetz Eine Änderung der magnetischen Induktion erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld. Satz über die Zirkulation magnetischer Felder . Felder Elektrischer Strom und Änderungen der elektrischen Induktion erzeugen ein Wirbelmagnetfeld -------- _________

Maxwell-Gleichungen, Integralform des SGS SI Gaußsches Gesetz Der Fluss der elektrischen Induktion durch eine geschlossene Oberfläche S ist proportional zur Menge an freier Ladung, die sich innerhalb der Oberfläche S befindet Gaußsches Gesetz für magnetische. Felder Fluss der magnetischen Induktion durch eine geschlossene Oberfläche S gleich Null Faradaysches Induktionsgesetz Die Änderung des magnetischen Induktionsflusses, der durch eine offene Oberfläche S geht, mit umgekehrtem Vorzeichen, ist proportional zur Zirkulation des elektrischen Feldes auf einem geschlossenen Kreis l, der die Grenze der Oberfläche S darstellt. Theorem on Die Zirkulation des Magnetfelds Der gesamte elektrische Strom freier Elektronen und die Änderung des elektrischen Induktionsflusses durch eine offene Schleifenoberfläche S ist proportional zur Zirkulation des Magnetfelds auf einer geschlossenen Schleife l, die die Grenze der Oberfläche darstellt S S ist eine zweidimensionale Oberfläche, geschlossen für das Gaußsche Theorem und offen für die Gesetze von Faraday und Ampere (ihre Grenze ist eine geschlossene Schleife). – elektrische Ladung innerhalb des Volumens V, begrenzt durch die Oberfläche S. – elektrischer Strom, der durch die Oberfläche S fließt.

Materialgleichungen Beziehungen zwischen D, B, E und H In einem Vakuum D = E, B = H In einem Medium können Materialgleichungen die Form nicht-lokaler zeitlicher und räumlicher und nichtlinearer Beziehungen annehmen (wird später angegeben) .

Übungen Leiten Sie das Coulomb-Gesetz für eine Punktladung im Vakuum aus den Maxwell-Gleichungen her. Überprüfen Sie die Erfüllung aller Maxwell-Gleichungen. Finden Sie die elektrische Spannung. Felder einer Kugel mit gleichmäßiger Ladungsdichte. Finden Sie die elektrische Spannung. Felder einer Ringschicht mit gleichmäßiger Ladungsdichte. - Haus. Aufgabe Finden Sie die Ladungsdichteverteilung, wenn die elektrische Spannungsverteilung bekannt ist. Felder, in denen A und n Konstanten sind, erklären physikalische Bedeutung Ergebnis für n = -3.

„Quadrat“ z. -M. Felder Wir betrachten räumlich und zeitlich begrenzte Feldpakete (mit endlicher Energie) Wir integrieren über die Zeit innerhalb unendlicher Grenzen – der „Fläche“ des Elektrischen. Feld – Rotationsvektor Wir integrieren über den Raum (Volumen) innerhalb unendlicher Grenzen – die „Fläche“ des Magnetfelds bleibt erhalten. Diese allgemeinen Beziehungen (für jede Art von Materialgleichungen) sind nützlich, um die Genauigkeit der Felddynamikmodellierung zu kontrollieren.

Maxwellsche Gleichungen im Vakuum (SGS) Lehrbuch: N. N. Rozanov. Spezielle Mattenabschnitte. Physik. Teil I. Elektromagnetische Wellen im Vakuum. 2005. D = E, B = H, ρ = 0, j = 0 Anwendbarkeitsbedingungen: 1. Inertialer Bezugsrahmen 2. Gravitationseffekte 3. Quantenbeschränkungen für schwache und starke Felder

Quantenbeschränkungen in schwachen Feldern Maxwells Gleichungen entsprechen einer Kontinuumsbeschreibung (und nicht einer diskreten Beschreibung). Damit sie gültig sind, muss die Anzahl der Photonen in den Grundmoden N groß sein: N >> 1. Dieser Faktor ist wichtig bei der Analyse von Strahlungsrauschen und komprimierten Zuständen des elektromagnetischen Feldes (Quantenoptik).

Quantenbeschränkungen in starken Feldern Maxwells Gleichungen berücksichtigen nicht die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Elektron-Positron-Paaren und die Auswirkungen der Vakuumpolarisation. Eine notwendige Bedingung für die Vernachlässigung dieser Effekte: (die Änderung der Ladungsenergie |e| in einem Feld der Stärke E in einem Abstand gleich der Compton-Wellenlänge des Elektrons RC = h /(mc) = 2, 4 10^(-10 ) cm sollte viel kleiner sein als mc^2, m – Elektronenmasse, h – Plancksches Wirkungsquantum, ħ = h / 2π). In Hochleistungslasersystemen werden Feldstärken nahe dem kritischen Bereich erreicht. Eine konsistente Theorie liefert die Quantenelektrodynamik. Das elektromagnetische Feld im Elektron-Positron-Vakuum wird näherungsweise durch die Gleichungen der Elektrodynamik kontinuierlicher Medien beschrieben. Die Compton-Wellenlänge eines Elektrons beschreibt seine „Verschmierung“; bei kürzeren Abständen ist die klassische Theorie nicht anwendbar.

Symmetrie der Maxwellschen Gleichungen im Vakuum Gleichheit von E und H im Vakuum ohne Ladungen. Gleichheit der Richtungen des Zeitflusses (im klassischen Vakuum gibt es keine Energiedissipation)

Vektorstruktur der Maxwell-Gleichungen ρ – Skalar (elektrische Ladungsdichte) E, D, j – polare dreidimensionale Vektoren H, B – axiale dreidimensionale Vektoren Wenn Spiegelbild Bei polaren Vektoren ändert sich die Richtung nicht, bei axialen jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Heiraten. mit der Lorentzkraft Der Unterschied zwischen polaren und axialen Vektoren ist für die Erfassung nichtlinearer Suszeptibilitäten wesentlich.

Wellengleichung für nichtmagnetische Medien Nicht alle Lösungen der Wellengleichung dienen als Lösungen für die Maxwell-Gleichungen, da diese Lösungen die Gleichung möglicherweise nicht erfüllen. Tatsächlich führt diese Beziehung zu Einschränkungen hinsichtlich der Polarisationsstruktur der Strahlung. Wenn also magnetische Größen aus den Maxwell-Gleichungen ausgeschlossen werden, sollte die Gleichung zur Wellengleichung hinzugefügt werden

Dynamik von e. -M. Felder Für gegebene Materialbeziehungen ist es möglich, das Cauchy-Problem zu formulieren – die Folgewerte der Felder werden aus den Ausgangsdaten bestimmt. Es gibt zwei dynamische Gleichungen (die die Zeitableitung 1. Ordnung enthalten; die Frequenzdispersion wird hier vernachlässigt). Zwei „statische“ Gleichungen begrenzen die Art der Anfangsbedingungen. Beispiel – Vakuum ohne Gebühren ()

Dynamik von e. -M. Felder im Vakuum Maxwells Gleichungen enthalten Zeitableitungen erster Ordnung. Daher reicht die Einstellung der Stärken E und H zum Anfangszeitpunkt aus, um die weitere Dynamik des Feldes (+ Randbedingungen) zu bestimmen. Numerische Berechnungsmethode: FDTD – Finite-Differenzen-Zeitbereich. – Thema für die Abschlusspräsentation

Die Anfangsbedingungen (Vakuum) sind nicht beliebig. Wenn dies der Fall ist, bleiben die Werte zu späteren Zeitpunkten Null, da (div rot V = 0) aufgrund der Maxwell-Gleichungen mit div nur zwei Komponenten der Vektoren E 0 und H 0 möglich sind willkürlich angegeben werden, bestimmen diese Gleichungen die Art der dritten Komponenten. Sei zum Beispiel gegeben Then (f ist eine beliebige Funktion seiner Argumente)

Felddynamik (Cauchy-Problem)* Da die Maxwell-Gleichungen zeitlich erster Ordnung sind Anfangsbedingungen ermöglichen die Bestimmung der Werte der elektrischen und magnetischen Feldstärken zu späteren Zeitpunkten. Taylor-Entwicklungen für kleine Zeitintervalle:

Aufgaben Im Anfangsmoment t = 0 sind gegeben: Finden Sie die Folgewerte der Spannungen. - Haus. Aufgabe Zu einem bestimmten Zeitpunkt sind die Komponenten gegeben: Finden Sie den Typ der dritten Komponente E zum gleichen Zeitpunkt.

Evolutionäre Variable, Beispiel der Helmholtz-Gleichung Homogenes Medium (Vakuum), monochromatische Strahlung mit Frequenz ω Feste (lineare) Polarisation. Eine der Komponenten des Feldes f (Hadamard-Beispiel)

Cauchy-Problem für die Helmholtz-Gleichung Betrachten Sie einen Strahl monochromatischer Strahlung mit einer vorherrschenden Richtung entlang der z-Achse. Setzen wir die Werte von f und bei z = 0. Lösung der Helmholtz-Gleichung (Trennung von Variablen).

Cauchy-Problem für die Helmholtz-Gleichung Grenzwert Für endliches z Für Null-Anfangsdaten (im Grenzwert) gibt es eine Lösung, die für endliches z gegen Unendlich tendiert. Aber mit solchen Ausgangsdaten gibt es auch eine Nulllösung. Es besteht keine kontinuierliche Abhängigkeit der Lösung von den Ausgangsdaten. Die Problemstellung ist falsch. Physik. die Bedeutung ist Gegenwellen.

Kovariante Formulierung der Maxwellschen Gleichungen im Vakuum. Elektromagnetische Feldtensoren Elektrische und magnetische Feldstärken sind nicht absolut und haben unterschiedliche Größen in verschiedenen Trägheitsbezugssystemen, die sich relativ zueinander mit der Geschwindigkeit V bewegen. Die Aufgabe besteht darin, die relativistische Invarianz der Maxwell-Gleichungen zu zeigen und die Lorentz-Transformationen für das elektromagnetische Feld zu finden . Die Schreibweise der Gleichung ist relativistisch invariant, wenn sie in Form von Skalaren, 4-Vektoren und Tensoren geschrieben wird, für die Lorentz-Transformationen bekannt sind.

Kovariante Formulierung...* Einführung der 4-dimensionalen Raumzeit mit den Koordinaten xk, k = 0, 1, 2, 3 Eine weitere Lorentztransformation des Inertialkoordinatensystems für den Sonderfall, wenn die Geschwindigkeit V nur eine x-Komponente hat

Energie-Impuls-Tensor e. -M. Felder Symmetrie durch Indizes? Kronecker-Symbol für i = k und sonst 0. - Dichte z. -M. Energie, - Energieflussdichte. Der Energie-Impuls-Tensor (Feld und Medium) dient als Quelle der Raum-Zeit-Krümmung in Einsteins Gravitationsgleichungen.

Aufgaben 1. Ermitteln Sie die elektrischen und magnetischen Feldstärken einer Punktladung, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. 2. Überprüfen Sie die Invarianz der Größen und (E, H). 3. Überprüfen Sie, ob die kovariante Notation der Maxwell-Gleichungen zu einer Standardnotation für verschiedene Auswahlmöglichkeiten von Indizes führt. - Das ist alles zu Hause. Aufgaben

Gleichung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellenfronten Zuvor haben wir das Cauchy-Problem gelöst, das heißt, aus den anfänglichen Daten (bei t = 0) über die Feldstärken haben wir die nachfolgende Dynamik des Feldes bestimmt. Dies ist möglich, da Maxwells Gleichungen im Vakuum nur die ersten Zeitableitungen von Spannungen enthalten. Eine allgemeinere Formulierung des Problems der Dynamik: Uch. Handbuch, S. 13 -17

Klassische Elektrodynamik(rus. Elektrodynamik, Englisch Elektrodynamik, Deutsch Elektrodynamik f) ist ein Teilgebiet der Physik, das die Wechselwirkung elektrifizierter, magnetisierter Körper und Leiter mit Strömen untersucht. Grundlegendes Konzept klassische Elektrodynamik ist eine Vorstellung vom elektrischen und magnetischen Feld um geladene Körper und stromführende Leiter.
Es besteht aus zwei Teilen: der makroskopischen Elektronentheorie, basierend auf den Maxwell-Gleichungen, und der klassischen Elektronentheorie.
Die Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik sind die Maxwellschen Gleichungen, die einen Zusammenhang zwischen den Größen elektrischer und magnetischer Felder und der Verteilung von Ladungen und Strömen im Raum herstellen. Die Essenz der vier Maxwell-Gleichungen für das elektromagnetische Feld lässt sich qualitativ auf Folgendes reduzieren:
1. Das Magnetfeld wird durch bewegte Ladungen und ein elektrisches Wechselfeld erzeugt;
2. Ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien (Wirbelfeld) wird durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt;
3. Die magnetischen Feldlinien sind immer geschlossen (das bedeutet, dass es keine Quellen gibt – magnetische Ladungen, die den elektrischen ähnlich sind);
4. Ein elektrisches Feld mit freigelegten Kraftlinien (Potentialfeld) wird durch elektrische Ladungen – die Quellen dieses Feldes – erzeugt. Maxwells Theorie impliziert die Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wechselwirkungen und die Existenz elektromagnetischer Wellen.
Die klassische Elektrodynamik betrachtet auch elektromagnetische Wellen, ihre Strahlung und Ausbreitung im Raum.
Ein separater Abschnitt der klassischen Elektrodynamik ist die Elektrodynamik kontinuierlicher Medien, die die Reaktion physikalischer Medien auf Störungen durch externe elektrische und magnetische Felder betrachtet.

Das Buch ist eine Vorlesungsreihe über klassische Elektrodynamik, die der Autor viele Jahre lang an der Fakultät für Physik in St. Petersburg (Leningrad) gelesen hat. staatliche Universität. Der Kurs basiert auf grundlegenden Prinzipien wie den Maxwell-Gleichungen und dem Relativitätsprinzip, kombiniert in der relativistischen kovarianten Form der elektrodynamischen Gleichungen. Auf ihrer Grundlage werden die Grundgedanken und Methoden der Elektrostatik, Strahlungstheorie, Elektrodynamik kontinuierlicher Medien und der Wellenleitertheorie konsequent dargestellt. Der Stoff wird mit einem hohen Maß an mathematischer Strenge präsentiert, die nahtlos mit einer klaren Darstellung der physikalischen Inhalte verbunden ist. Das Buch kann für jeden nützlich sein, der über Grundkenntnisse auf dem Gebiet der elektrischen Phänomene und der mathematischen Analyse verfügt und sich ein klares und mathematisch fundiertes Verständnis sowohl der theoretischen Grundlagen als auch der Lösungsmethoden aneignen möchte komplexe Aufgaben Elektrodynamik.

Fragment aus dem Buch.
Zusammenfassung: Bei der Betrachtung funktechnischer Probleme vom Typ „Wie strahlt diese Antenne?“ sind wir natürlich nur an dem von ihr selbst erzeugten Feld interessiert, und um externe freie Felder auszuschließen, ist es selbstverständlich, die notwendigen asymptotischen Bedingungen aufzustellen im Unendlichen auf den Potentialen. Mit dieser Formulierung fixieren die oben genannten Eichbedingungen die Potentiale eindeutig. Wenn wir uns jedoch für die freien Felder selbst interessieren (was bei der Formulierung von Problemen beispielsweise in der Quantenfeldtheorie selbstverständlich ist), können wir keine Bedingungen aufstellen, die genau diese Felder ausschließen.

Vorwort
1 Allgemeine Einführung
1.1 Maxwell-Gleichungen.
1.2 Mathematischer Exkurs: Notationskonventionen, Referenzformeln.
1.3 Integralform der Maxwell-Gleichungen.
1.4 Die Beziehung zwischen den Differential- und Integralformen der Maxwell-Gleichungen bei Vorhandensein von Diskontinuitätsflächen. Randbedingungen (Matching-Bedingungen).
1.5 Kontinuitätsgleichung, Ladungserhaltungssatz.
1.6 Übergang von Spannungen zu Potenzialen. Maxwellsche Gleichungen für Potentiale.
1.7 Kalibriertransformationen und Kalibrierbedingungen.
2 Relativistisch-kovariante Formulierung der Elektrodynamik
2.1 Bezeichnungen.
2.2 Tensoren auf der SO3-Rotationsgruppe und auf der 03-Gruppe.
2.3 Tensorfelder.
2.4 Elektrodynamik und Relativitätsprinzip.
2.5 Lorentz-Transformationen, allgemeine Eigenschaften.
2.6 Lorentz-Eigentransformationen. Explizite Form der Transformationen des Übergangs zu einem bewegten Bezugssystem.
2.7 Relativistisches Gesetz der Addition von Geschwindigkeiten. Reduzierung der Maßstabs- und Dehnungszeit.
2.8 Tensoren und Tensorfelder der Lorentzgruppe.
2.9 Tensorcharakter von Potentialen und Spannungen.
2.10 Kovariante Formulierung der Maxwell-Gleichungen für Potentiale.
2.11 Transversalität K, Kontinuitätsgleichung, Eichinvarianz der Maxwellschen Gleichungen, Eichbedingungen.
2.12 Allgemeine Überlegungen zur Form der Maxwellschen Gleichungen für Potentiale.
2.13 Kovariante Aufzeichnung der Maxwellschen Gleichungen für Spannungen.
2.14 Transformationen von Potentialen und Spannungen beim Übergang in ein bewegtes Bezugssystem.
2.15 Elektrodynamik aus der Perspektive Theoretische Mechanik. Wirkungsfunktion für elektromagnetisches Feld.
2.16 Energie-Impuls-Tensor. Gesetze zur Erhaltung von Energie und Impuls.
2.17 Elemente der relativistischen Dynamik eines Punktteilchens. Lorentzkraft.
3 Statik
3.1 Grundlegende Beziehungen.
3.2 Lösung der Poisson-Gleichung.
3.3 Multipolentwicklung des Skalarpotentials
in der Elektrostatik. Multipolmomente und ihre Eigenschaften.
3.4 Mehrfeldentwicklung des Vektorpotentials A in der Magnetostatik. Magnetisches Moment eines beliebigen Stromsystems.
3.5 Kräfte und Kräftemomente. Einwirken auf verteilte Quellen.
3.6 Potenzielle Energie eines Systems aus Ladungen oder Strömen
in einem bestimmten externen Feld.
3.7 Eigene potentielle Energie eines Systems aus Ladungen oder Strömen (Energie im eigenen Feld).
3.8 Dielektrika und Magnete (Statik).
3.9 Grundlagen der Thermodynamik von Dielektrika und Magneten. Volumenkräfte in Dielektrika und Magneten.
3.10 Randwertprobleme der Elektrostatik und Methoden zu ihrer Lösung....
4 Dynamik
4.1 Problemstellung, allgemeine Lösungsform.
4.2 Retardierte Green-Funktion des Wellenoperators....
4.3 Verzögerte Potenziale.
4.4 Feld einer beliebig bewegten Punktladung. Lienard-Wiechert-Potenziale. Strahlungsleistung und Strahlungsmuster.
4.5 Strahlung aus lokalisierten Quellen, Multipolzerlegung.
4.6 Linearantenne mit zentraler Erregung.
4.7 Maxwells dynamische Gleichungen in einem Medium.
4.8 Wellenleiter.
Literatur-Themenindex

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Fachgebiet der klassischen Elektrodynamik

Die klassische Elektrodynamik ist eine Theorie, die das Verhalten des elektromagnetischen Feldes erklärt, das die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen bewirkt.

Die Gesetze der klassischen makroskopischen Elektrodynamik sind in den Maxwell-Gleichungen formuliert, die es ermöglichen, die Werte der Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes zu bestimmen: elektrische Feldstärke E und magnetische Induktion IN im Vakuum und in makroskopischen Körpern je nach Verteilung im Raum elektrische Aufladungen und Strömungen.

Die Wechselwirkung stationärer elektrischer Ladungen wird durch die Gleichungen der Elektrostatik beschrieben, die als Folge der Maxwell-Gleichungen erhalten werden können.

Das von einzelnen geladenen Teilchen erzeugte mikroskopische elektromagnetische Feld wird in der klassischen Elektrodynamik durch die Lorentz-Maxwell-Gleichungen bestimmt, die der klassischen statistischen Theorie elektromagnetischer Prozesse in makroskopischen Körpern zugrunde liegen. Die Mittelung dieser Gleichungen führt zu den Maxwell-Gleichungen.

Unter allen bekannte Arten Wechselwirkungen Elektromagnetische Wechselwirkungen stehen hinsichtlich der Breite und Vielfalt ihrer Erscheinungsformen an erster Stelle. Dies liegt daran, dass alle Körper aus elektrisch geladenen (positiven und negativen) Teilchen aufgebaut sind, deren elektromagnetische Wechselwirkung einerseits um viele Größenordnungen intensiver ist als die Gravitation und schwache Wechselwirkung und andererseits ist im Gegensatz zur starken Wechselwirkung weitreichend.

Elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt den Aufbau von Atomhüllen, die Adhäsion von Atomen zu Molekülen (chemische Bindungskräfte) und die Bildung kondensierter Materie (interatomare Wechselwirkung, intermolekulare Wechselwirkung).

Die Gesetze der klassischen Elektrodynamik sind bei hohen Frequenzen und dementsprechend kurzen Längen elektromagnetischer Wellen, d. h. für Prozesse, die über kleine Raumzeitintervalle ablaufen. In diesem Fall gelten die Gesetze der Quantenelektrodynamik.

1.2. Elektrische Ladung und ihre Diskretion.
Kurzstreckentheorie

Die Entwicklung der Physik hat gezeigt, dass physikalische und Chemische Eigenschaften Stoffe werden weitgehend durch Wechselwirkungskräfte bestimmt, die durch das Vorhandensein und die Wechselwirkung elektrischer Ladungen von Molekülen und Atomen verschiedener Stoffe verursacht werden.

Es ist bekannt, dass es in der Natur zwei Arten elektrischer Ladungen gibt: positive und negative. Sie können in Form von Elementarteilchen existieren: Elektronen, Protonen, Positronen, positive und negative Ionen usw. sowie „kostenloser Strom“, jedoch nur in Form von Elektronen. Daher ist ein positiv geladener Körper eine Ansammlung elektrischer Ladungen mit einem Mangel an Elektronen, und ein negativ geladener Körper ist ein Überschuss davon. Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens kompensieren sich gegenseitig, daher sind in ungeladenen Körpern immer Ladungen beider Vorzeichen in solchen Mengen vorhanden, dass sich ihre Gesamtwirkung kompensiert.

Umverteilungsprozess Als positive und negative Ladungen ungeladener Körper oder zwischen einzelnen Teilen desselben Körpers unter dem Einfluss verschiedener Faktoren werden bezeichnet Elektrifizierung.

Da bei der Elektrifizierung freie Elektronen umverteilt werden, werden beispielsweise beide wechselwirkenden Körper elektrisiert, einer davon ist positiv und der andere negativ. Die Anzahl der Ladungen (positiv und negativ) bleibt unverändert.

Daraus folgt, dass Ladungen weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur zwischen interagierenden Körpern und Teilen desselben Körpers umverteilt werden und dabei quantitativ unverändert bleiben.

Dies ist die Bedeutung des Gesetzes zur Erhaltung elektrischer Ladungen, das mathematisch wie folgt geschrieben werden kann:

diese. In einem isolierten System bleibt die algebraische Summe der elektrischen Ladungen ein konstanter Wert.

Unter einem isolierten System versteht man ein System, durch dessen Grenzen mit Ausnahme von Lichtphotonen und Neutronen kein anderer Stoff eindringt, da diese keine Ladung tragen.

Es muss berücksichtigt werden, dass die gesamte elektrische Ladung eines isolierten Systems relativistisch invariant ist, weil Beobachter, die sich in einem beliebigen Trägheitskoordinatensystem befinden und die Ladung messen, erhalten den gleichen Wert.

Eine Reihe von Experimenten, insbesondere die Gesetze der Elektrolyse, Millikans Experiment mit einem Öltropfen, zeigten, dass elektrische Ladungen in der Natur diskret zur Ladung eines Elektrons sind. Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Ladung des Elektrons.

Während des Elektrifizierungsprozesses ändert sich die Ladung diskret (quantisiert) um die Menge der Elektronenladung. Die Ladungsquantisierung ist ein universelles Naturgesetz.

In der Elektrostatik werden die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Ladungen untersucht, die in dem Bezugssystem, in dem sie sich befinden, stationär sind.

Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung in Körpern führt dazu, dass sie mit anderen geladenen Körpern interagieren. In diesem Fall stoßen sich gleich geladene Körper ab und entgegengesetzt geladene Körper ziehen sich an.

Die Theorie der Nahwechselwirkung ist eine der Wechselwirkungstheorien der Physik. Unter Wechselwirkung versteht man in der Physik jede Beeinflussung von Körpern oder Teilchen aufeinander, die zu einer Änderung ihres Bewegungszustandes führt.

In der Newtonschen Mechanik wird die gegenseitige Einwirkung von Körpern aufeinander quantitativ durch Kraft charakterisiert. Mehr allgemeines Merkmal Interaktion ist potentielle Energie.

Ursprünglich begründete die Physik die Idee, dass die Interaktion zwischen Körpern direkt durch erfolgen kann Freiraum, das nicht an der Übertragung der Interaktion teilnimmt. Die Übertragung der Interaktion erfolgt sofort. Daher glaubte man, dass die Bewegung der Erde sofort zu einer Änderung der auf den Mond wirkenden Gravitationskraft führen sollte. Dies war die Bedeutung der sogenannten Interaktionstheorie, der Theorie der Fernwirkung. Diese Vorstellungen wurden jedoch nach der Entdeckung und Erforschung des elektromagnetischen Feldes als unwahr aufgegeben.

Es ist erwiesen, dass die Wechselwirkung elektrisch geladener Körper nicht augenblicklich erfolgt und die Bewegung eines geladenen Teilchens zu einer Änderung der auf andere Teilchen wirkenden Kräfte führt, und zwar nicht im selben Moment, sondern erst nach einer endlichen Zeit.

Jedes elektrisch geladene Teilchen erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das auf andere Teilchen einwirkt, d. h. Die Interaktion wird über einen „Vermittler“ übertragen – ein elektromagnetisches Feld. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes ist gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum. Entstanden neue Theorie Interaktionstheorie der Nahbereichsinteraktion.

Nach dieser Theorie erfolgt die Wechselwirkung zwischen Körpern durch bestimmte Felder (zum Beispiel die Schwerkraft durch ein Gravitationsfeld), die kontinuierlich im Raum verteilt sind.

Nach dem Aufkommen der Quantenfeldtheorie veränderte sich die Vorstellung von Wechselwirkungen erheblich.

Nach der Quantentheorie ist jedes Feld nicht kontinuierlich, sondern hat eine diskrete Struktur.

Aufgrund der Welle-Teilchen-Dualität entspricht jedes Feld bestimmten Teilchen. Geladene Teilchen emittieren und absorbieren kontinuierlich Photonen, die das sie umgebende elektromagnetische Feld bilden. Elektromagnetische Wechselwirkung ist in der Quantenfeldtheorie das Ergebnis des Austauschs von Teilchen durch Photonen (Quanten) des elektromagnetischen Feldes, d. h. Photonen sind Träger einer solchen Wechselwirkung. Ebenso entstehen andere Arten von Wechselwirkungen durch den Austausch von Teilchen durch Quanten der entsprechenden Felder.

Trotz der Vielfalt der Einflüsse von Körpern aufeinander (abhängig von der Wechselwirkung der Elementarteilchen, aus denen sie bestehen), gibt es in der Natur nach modernen Daten nur vier Arten grundlegender Wechselwirkungen: gravitative, schwache, elektromagnetische und starke (in Reihenfolge zunehmender Intensität der Interaktion). Die Intensität der Wechselwirkungen wird durch Kopplungskonstanten bestimmt (insbesondere ist die elektrische Ladung für elektromagnetische Wechselwirkung eine Kopplungskonstante).

Die moderne Quantentheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung beschreibt alle bekannten elektromagnetischen Phänomene perfekt.

In den 60er und 70er Jahren des Jahrhunderts wurde im Wesentlichen eine einheitliche Theorie der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung (die sogenannte elektroschwache Wechselwirkung) von Leptonen und Quarks entwickelt.

Moderne Theorie Starke Wechselwirkung ist Quantenchromodynamik.

Es werden Versuche unternommen, die elektroschwache und die starke Wechselwirkung in der sogenannten „Großen Vereinigung“ zu kombinieren und sie in ein einziges Schema der Gravitationswechselwirkung einzubeziehen.

MINISTERIUM FÜR BILDUNG UND WISSENSCHAFT RUSSLANDS BUNDESHAUSHALTSPLAN

BILDUNGSEINRICHTUNG DER HÖHEREN

BERUFLICHE AUSBILDUNG

„Don State Technical University“

(DSTU)

Prüfung

durch Disziplin "Konzepte moderne Naturwissenschaft»

Thema Nr. 1.25 Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Elektrodynamisches Weltbild.

Durchgeführt: Onuchina A.A.

Student 1 Kursrichtung der Vorbereitung Fernstudium

Gruppe GRÖSSE11 Notenbuch Nr. 1573242

Geprüft ________________

Rostow am Don

Planen:

1. Geschichte der Elektrodynamik……………………………………………………..3

2. Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik.…………….…… 5

3. Elektrodynamisches Weltbild.…………………..………………………10

Referenzliste……..………………………………….……13

Geschichte der Elektrodynamik.

Klassische Elektrodynamik ist eine Theorie elektromagnetischer Prozesse in verschiedenen Medien und im Vakuum. Umfasst eine große Reihe von Phänomenen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen durch ein elektromagnetisches Feld die Hauptrolle spielen.

Die Geschichte der Elektrodynamik ist die Geschichte der Entwicklung grundlegender physikalischer Konzepte. Bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts wurden mit der Elektrizität wichtige experimentelle Ergebnisse erzielt: Anziehung und Abstoßung, die Aufteilung von Stoffen in Leiter und Isolatoren, die Existenz zweier Arten von Elektrizität wurde entdeckt. Bei der Erforschung des Magnetismus wurden Fortschritte erzielt.

Praktischer Nutzen Die Elektrizität begann in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Der Name Fraclin (1706-1790) ist mit der Entstehung der Hypothese über Elektrizität als einer besonderen materiellen Substanz verbunden. Im Jahr 1785 stellte C. Coulomb das Gesetz der Wechselwirkung zweier Punktladungen auf. Mit dem Namen A. Volta (1745-1827) sind eine Reihe von Erfindungen elektrischer Messgeräte verbunden. Das Ohmsche Gesetz wurde 1826 eingeführt. Im Jahr 1820 entdeckte Oersted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Im Jahr 1820 wurde ein Gesetz aufgestellt, das die mechanische Kraft bestimmt, mit der ein Magnetfeld auf ein in es eingeleitetes elektrisches Stromelement einwirkt – das Ampere-Gesetz. Ampere begründete auch das Gesetz der Kraftwechselwirkung zwischen zwei Strömen.

Von besonderer Bedeutung in der Physik ist die 1820 von Ampere vorgeschlagene Hypothese der molekularen Ströme.

Im Jahr 1831 entdeckte Faraday das Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Im Jahr 1873 skizzierte James Clerk Maxwell (1831-1879) kurze Gleichungen, die daraus wurden theoretische Basis Elektrodynamik. Eine der Konsequenzen von Maxwells Gleichungen war die Vorhersage der EM-Natur des Lichts, und er sagte auch die Möglichkeit der Existenz von EM-Wellen voraus. Nach und nach entwickelte die Wissenschaft eine Vorstellung vom EM-Feld als einer unabhängigen materiellen Einheit, die der Träger von EM-Wechselwirkungen im Raum ist. Die verschiedenen elektrischen und magnetischen Phänomene, die Menschen seit jeher beobachten, haben schon immer ihre Neugier und ihr Interesse geweckt. Am häufigsten bezieht sich der Begriff Elektrodynamik auf die klassische Elektrodynamik, die nur die kontinuierlichen Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes beschreibt. Das elektromagnetische Feld ist das Hauptthema der Untersuchung der Elektrodynamik, einer Materieart, die sich bei der Wechselwirkung mit geladenen Körpern manifestiert. Im Jahr 1895 machte Popov A.S. die größte Erfindung – das Radio. Es hatte enorme Auswirkungen auf die spätere Entwicklung von Wissenschaft und Technologie. Alle elektromagnetischen Phänomene können mit den Maxwell-Gleichungen beschrieben werden, die einen Zusammenhang zwischen den Größen herstellen, die elektrische und magnetische Felder charakterisieren, und der Verteilung von Ladungen und Strömen im Raum.

Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Elektrodynamik war die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion – der Anregung der elektromotorischen Kraft in Leitern durch ein magnetisches Wechselfeld – durch M. Faraday, das zur Grundlage der Elektrotechnik wurde.

Michael Faraday ist ein englischer Physiker, der am Stadtrand von London in der Familie eines Schmieds geboren wurde. Nach dem Schulabschluss Grundschule Ab seinem zwölften Lebensjahr arbeitete er als Zeitungsausträger und wurde 1804 Lehrling beim Buchbinder Ribot, einem französischen Emigranten, der Faradays leidenschaftlichen Wunsch nach Selbstbildung auf jede erdenkliche Weise förderte. Durch Lektüre und den Besuch von Vorlesungen versuchte Faraday, sein Wissen zu erweitern, was ihn vor allem anzog Naturwissenschaften- Chemie und Physik. Im Jahr 1813 überreichte einer der Kunden Faraday Einladungskarten zu Vorträgen von Humphry Davy, die eine entscheidende Rolle für das Schicksal des jungen Mannes spielten. Nachdem Faraday einen Brief an Davy gerichtet hatte, erhielt er mit seiner Hilfe eine Stelle als Laborassistent an der Royal Institution.

Wissenschaftliche Tätigkeit Faraday machte sich innerhalb der Mauern der Royal Institution auf den Weg, wo er Davy zum ersten Mal hineinhalf chemische Experimente, und begann dann mit der unabhängigen Forschung. Faraday verflüssigte Chlor und einige andere Gase und gewann Benzol. Im Jahr 1821 beobachtete er erstmals die Rotation eines Magneten um einen stromdurchflossenen Leiter und eines stromdurchflossenen Leiters um einen Magneten und schuf das erste Modell eines Elektromotors. In den nächsten 10 Jahren untersuchte Faraday den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen. Seine Forschungen gipfelten 1831 in der Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Faraday untersuchte dieses Phänomen im Detail, leitete sein Grundgesetz ab und fand die Abhängigkeit des Induktionsstroms heraus magnetische Eigenschaften Umgebung, untersuchte das Phänomen der Selbstinduktion und zusätzlicher Schließungs- und Öffnungsströme.

Die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion erlangte sofort enorme wissenschaftliche und praktische Bedeutung; Dieses Phänomen liegt beispielsweise dem Betrieb aller Gleich- und Wechselstromgeneratoren zugrunde. Der Wunsch, die Natur des elektrischen Stroms herauszufinden, veranlasste Faraday zu Experimenten zum Stromdurchgang durch Lösungen von Säuren, Salzen und Laugen. Das Ergebnis dieser Studien war die Entdeckung der Gesetze der Elektrolyse im Jahr 1833. Im Jahr 1845 entdeckte Faraday das Phänomen der Rotation der Polarisationsebene von Licht in einem Magnetfeld. Im selben Jahr entdeckte er den Diamagnetismus, 1847 den Paramagnetismus und erfand 1833 das Voltmeter.

Faradays Vorstellungen über elektrische und magnetische Felder hatten großer Einfluss für die Entwicklung der gesamten Physik. Im Jahr 1832 schlug Faraday vor, dass die Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkungen ein Wellenprozess sei, der mit endlicher Geschwindigkeit abläuft, und im Jahr 1845 verwendete er erstmals den Begriff „Magnetfeld“.

Faradays Entdeckungen haben überall große Anerkennung gefunden wissenschaftliche Welt. Zu Ehren von Michael Faraday hat die British Chemical Society die Faraday-Medaille ins Leben gerufen, eine der ehrenvollsten wissenschaftlichen Auszeichnungen.

Er versuchte, das Phänomen der elektromagnetischen Induktion auf der Grundlage des Konzepts der Wirkung über große Entfernungen zu erklären, stieß jedoch auf Schwierigkeiten und schlug vor, dass elektromagnetische Wechselwirkungen durch ein elektromagnetisches Feld erfolgen, basierend auf dem Konzept der Wirkung über kurze Entfernungen. Dies markierte den Beginn der Entstehung des von D. Maxwell formalisierten Konzepts des elektromagnetischen Feldes. James Clerk Maxwell – englischer Physiker. Geboren in Edinburgh. Unter seiner Führung entstand das berühmte Cavendish Laboratory in Cambridge, das er bis zu seinem Lebensende leitete.

Maxwells Arbeiten widmen sich der Elektrodynamik, der Molekularphysik, der allgemeinen Statistik, der Optik, der Mechanik und der Elastizitätstheorie. Maxwell leistete seine bedeutendsten Beiträge zur Molekularphysik und Elektrodynamik. In der kinetischen Theorie der Gase, zu deren Begründern er gehört, begründete er die Geschvon Molekülen, basierend auf der Berücksichtigung direkter und umgekehrter Stöße, und entwickelte die Transporttheorie Gesamtansicht Durch die Anwendung auf die Prozesse Diffusion, Wärmeleitfähigkeit und innere Reibung wurde das Konzept der Entspannung eingeführt. Im Jahr 1867 zeigte der erste die statistische Natur des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und im Jahr 1878 führte er den Begriff „statistische Mechanik“ ein.

Maxwells größte wissenschaftliche Errungenschaft ist die Theorie des elektromagnetischen Feldes, die er 1860–1865 entwickelte. In seiner Theorie des elektromagnetischen Feldes verwendete Maxwell ein neues Konzept – den Verschiebungsstrom –, definierte das elektromagnetische Feld und sagte einen neuen wichtigen Effekt voraus: die Existenz im freien Raum elektromagnetische Strahlung, elektromagnetische Wellen und ihre Ausbreitung im Raum mit Lichtgeschwindigkeit. Der Wissenschaftler formulierte auch einen Satz in der Elastizitätstheorie, stellte Beziehungen zwischen den wichtigsten thermophysikalischen Parametern her, entwickelte die Theorie des Farbsehens und untersuchte die Stabilität der Saturnringe und zeigte, dass die Ringe weder fest noch flüssig sind, sondern ein Schwarm von Meteoriten. Maxwell entwarf eine Reihe von Instrumenten. Er war ein berühmter Verfechter des physikalischen Wissens.

1) Das Magnetfeld wird durch bewegte Ladungen und ein elektrisches Wechselfeld (Verschiebungsstrom) erzeugt.

2) ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien (Wirbelfeld) wird durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt;

3) Die magnetischen Feldlinien sind immer geschlossen (das bedeutet, dass es keine Quellen gibt – magnetische Ladungen, die den elektrischen ähnlich sind);

4) Ein elektrisches Feld mit offenen Kraftlinien (Potentialfeld) wird durch elektrische Ladungen – die Quellen dieses Feldes – erzeugt.

James Maxwells Theorie impliziert die Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wechselwirkungen und die Existenz elektromagnetischer Wellen. Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes ist eine grundlegende Verallgemeinerung der Elektrodynamik und nimmt daher zu Recht einen Ehrenplatz unter den größten wissenschaftlichen Errungenschaften der Menschheit wie der klassischen Mechanik, der relativistischen Physik und der Quantenmechanik ein. In den Jahren 1861–1862 veröffentlichte James Maxwell seinen Artikel über physikalische Kraftlinien. Basierend auf dem praktischen Zusammentreffen der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Störungen und der Lichtgeschwindigkeit schlug Maxwell vor, dass Licht ebenfalls eine elektromagnetische Störung ist. Und diese Idee, die für die damalige Zeit absolut fantastisch erschien, begann plötzlich experimentelle Bestätigung zu finden.

Und alles schien in Ordnung zu sein, aber 1885 schrieb ein gewisser Lehrer an einer Mädchenschule in Basel, Johann Jakob Balmer, nach seinen Experimenten einen kurzen Artikel, buchstäblich ein paar Seiten lang, in dem es hieß: „Achten Sie auf die Spektrallinien von Wasserstoff.“ Was die theoretischen Physiker für die nächsten zwei Jahrzehnte in einen Zustand der Benommenheit versetzte. Die klaren Spektrallinien der Balmer-Serie zeigten der weltweiten physikalischen Wissenschaftsgemeinschaft deutlich, dass auf dieser Welt nicht alles so einfach ist.

Die Entwicklung der klassischen Elektrodynamik nach Maxwell verlief in mehrere Richtungen, von denen wir zwei Hauptrichtungen erwähnen. Erstens wurde die mathematische Seite von Maxwells Theorie verbessert und einige neue Ergebnisse erzielt. Zweitens kam es zu einer Vereinigung der Theorie des elektromagnetischen Feldes mit den Grundideen der Theorie des Aufbaus der Materie. Die letztere Richtung führte zur Entstehung der elektronischen Theorie.

Erwähnen möchte ich auch den herausragenden deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz. Er schloss sein Studium an der Universität Berlin ab und war von 1885 bis 1889 Professor für Physik an der Universität Karlsruhe. Seit 1889 - Professor für Physik an der Universität Bonn.

Die wichtigste Errungenschaft ist die experimentelle Bestätigung von James Maxwells elektromagnetischer Lichttheorie. Hertz bewies die Existenz elektromagnetischer Wellen.

Er konstruierte die Elektrodynamik bewegter Körper auf der Grundlage der Hypothese, dass der Äther von bewegten Körpern weggetragen wird. Seine Theorie der Elektrodynamik wurde jedoch nicht durch Experimente bestätigt und wich später der elektronischen Theorie von Hendrik Lorentz. Die von Hertz erzielten Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Entstehung des Radios. Im Jahr 1886 beobachtete und beschrieb Hertz erstmals den externen photoelektrischen Effekt. Hertz entwickelte die Theorie eines Resonanzkreises, untersuchte die Eigenschaften von Kathodenstrahlen und untersuchte die Wirkung ultravioletter Strahlen auf elektrische Entladungen. Seit 1933 ist die Frequenzeinheit Hertz, die im internationalen metrischen Einheitensystem SI enthalten ist, nach Hertz benannt.

Die Physik ist eine der wichtigsten Wissenschaften, die der Mensch studiert. Seine Präsenz macht sich in allen Lebensbereichen bemerkbar, manchmal verändern Entdeckungen sogar den Lauf der Geschichte. Deshalb sind große Physiker für die Menschen so interessant und bedeutsam.

Elektrodynamik ist ein Fachgebiet der Physik, das die Eigenschaften und Verhaltensmuster des elektromagnetischen Feldes und die Bewegung miteinander interagierender elektrischer Ladungen durch dieses Feld untersucht.

Viele große Physiker haben ihr Leben der Suche nach Antworten auf Fragen gewidmet, die die Menschheit braucht. Die Welt steht nicht still, alles fließt und verändert sich, der Planet dreht sich um seine Achse, ein Gewitter kommt immer mit Blitz und Donner und Blätter fallen zu Boden. Und es waren die auf den ersten Blick einfachen Dinge, die das Interesse eines Menschen für die exakten und naturwissenschaftlichen Wissenschaften weckten.

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