J. Jackson
PANIMULA Teorya ng electro magnetic field bilang isang seksyon ng kursong "Mga Pisikal na pundasyon ng quantum electronics". Ang pangunahing pokus ay sa mga electromagnetic wave at ang kanilang optical range. Koneksyon ng electromagnetic field theory sa iba pang sangay ng physics. Optical media. Tungkulin mga electromagnetic wave. Paghahambing sa acoustic at iba pang mga alon (wave theory). Ang mga photon ay elementarya na particle (at hindi quasiparticle, tulad ng phonon). Eter at vacuum. Mga linear at nonlinear na alon.
Maxwell's equation in a continuous medium SGS SI Gauss's law Ang electric charge ay pinagmumulan ng electric induction Ang batas ni Gauss para sa magnetic field Walang magnetic charges Ang batas ng induction ni Faraday Ang pagbabago sa magnetic induction ay bumubuo ng vortex electric field Theorem sa sirkulasyon ng magnetic field . fields Ang electric current at mga pagbabago sa electrical induction ay bumubuo ng vortex magnetic field -------- _________
Maxwell's equation, integral form ng SGS SI Gauss's Law Ang daloy ng electrical induction sa pamamagitan ng saradong ibabaw S ay proporsyonal sa dami ng libreng singil na matatagpuan sa loob ng surface S Gauss's Law para sa magnetic. fields Flux ng magnetic induction sa pamamagitan ng saradong ibabaw S katumbas ng zero Ang batas ng induction ni Faraday Ang pagbabago sa flux ng magnetic induction na dumadaan sa isang bukas na ibabaw na S, na kinuha gamit ang kabaligtaran na tanda, ay proporsyonal sa sirkulasyon ng electric field sa isang closed loop l, na siyang hangganan ng surface S Theorem on ang sirkulasyon ng magnetic field Ang kabuuang electric current ng mga libreng electron at ang pagbabago sa daloy ng electric induction sa pamamagitan ng open loop surface S ay proporsyonal sa sirkulasyon ng magnetic field sa closed loop l, na siyang hangganan ng surface Ang S S ay isang dalawang-dimensional na ibabaw, sarado para sa Gauss theorem at bukas para sa mga batas ng Faraday at Ampere (ang hangganan nito ay isang closed loop). – singil ng kuryente sa loob ng volume V, na nililimitahan ng surface S. – electric current na dumadaloy sa surface S.
Mga materyal na equation Mga ugnayan sa pagitan ng D, B, E at H Sa isang vacuum D = E, B = H Sa isang daluyan, ang mga materyal na equation ay maaaring magkaroon ng anyong hindi lokal sa oras at espasyo at mga di-linear na relasyon (ibibigay sa ibang pagkakataon) .
Exercises Nakuha ang batas ng Coulomb para sa isang point charge sa vacuum mula sa mga equation ni Maxwell. Suriin ang katuparan ng lahat ng mga equation ni Maxwell. Hanapin ang electric tension. mga field ng isang globo na may pare-parehong density ng singil. Hanapin ang electric tension. field ng isang ring layer na may pare-parehong density ng singil. - bahay. gawain Hanapin ang distribusyon ng density ng singil kung alam ang distribusyon ng boltahe ng kuryente. mga patlang kung saan ang A at n ay mga pare-pareho, Ipaliwanag pisikal na kahulugan resulta para sa n = -3.
"Kuwadrado" e. -m. fields Isinasaalang-alang namin ang mga field packet na limitado sa espasyo at oras (na may hangganang enerhiya) Nagsasama kami sa paglipas ng panahon sa loob ng walang katapusang limitasyon - ang "lugar" ng electric. field - irrotational vector Nagsasama kami sa espasyo (volume) sa loob ng walang katapusang mga limitasyon - ang "lugar" ng magnetic field ay pinapanatili Ang mga pangkalahatang ugnayang ito (para sa anumang uri ng mga materyal na equation) ay kapaki-pakinabang para sa pagkontrol sa katumpakan ng pagmomodelo ng field dynamics.
Maxwell's equation in vacuum (SGS) Textbook: N. N. Rozanov. Mga espesyal na seksyon ng banig. pisika. Bahagi I. Mga electromagnetic wave sa vacuum. 2005. D = E, B = H, ρ = 0, j = 0 Mga kundisyon ng pagkakalapat: 1. Inertial frame of reference 2. Gravitational effects 3. Quantum restrictions para sa mahina at malakas na field
Quantum limitations sa mahihinang field Ang mga equation ni Maxwell ay tumutugma sa isang continuum (sa halip na discrete) na paglalarawan. Samakatuwid, para maging wasto ang mga ito, dapat na malaki ang bilang ng mga photon sa pangunahing mga mode N: N >> 1. Mahalaga ang salik na ito sa pagsusuri ng ingay ng radiation at mga naka-compress na estado ng electromagnetic field (quantum optics).
Quantum limitations in strong fields Hindi isinasaalang-alang ng mga equation ni Maxwell ang posibilidad ng paglikha ng mga pares ng electron-positron at ang mga epekto ng vacuum polarization. Isang kinakailangang kondisyon para sa pagpapabaya sa mga epektong ito: (ang pagbabago sa enerhiya ng singil |e| sa isang larangan ng lakas E sa layo na katumbas ng Compton wavelength ng electron RC = h /(mc) = 2. 4 10^(-10 ) cm ay dapat na mas mababa sa mc^2, m – mass ng elektron, h – pare-pareho ng Planck, ħ = h / 2π). Sa mga high-power laser system, ang mga lakas ng field na malapit sa kritikal ay nakakamit. Ang isang pare-parehong teorya ay ibinibigay ng quantum electrodynamics. Ang electromagnetic field sa electron-positron vacuum ay tinatayang inilarawan ng mga equation ng electrodynamics ng tuloy-tuloy na media. Ang Compton wavelength ng isang electron ay naglalarawan sa kanyang "smeariness" sa mas maikling distansya ang klasikal na teorya ay hindi naaangkop.
Symmetry ng mga equation ni Maxwell sa vacuum Equality ng E at H sa vacuum na walang bayad. Pagkakapantay-pantay ng mga direksyon ng daloy ng oras (sa isang klasikal na vacuum walang pagwawaldas ng enerhiya)
Vector structure ng Maxwell's equation ρ – scalar (electric charge density) E, D, j – polar three-dimensional vectors H, B – axial three-dimensional vectors Kapag imahe ng salamin ang direksyon ng mga polar vector ay hindi nagbabago, ngunit para sa mga axial ay nagbabago ito sa kabaligtaran. Ikasal. gamit ang Lorentz force Ang pagkakaiba sa pagitan ng polar at axial vectors ay mahalaga para sa pagtatala ng mga hindi linear na susceptibilities.
Wave Equation Nonmagnetic Media Hindi lahat ng mga solusyon sa wave equation ay nagsisilbing mga solusyon sa mga equation ni Maxwell, dahil ang mga solusyon na ito ay maaaring hindi matugunan ang equation. Sa katunayan, ang relasyon na ito ay nagpapataw ng mga paghihigpit sa istraktura ng polariseysyon ng radiation. Kaya, kapag hindi kasama ang mga magnetic na dami mula sa mga equation ni Maxwell, ang equation ay dapat idagdag sa wave equation.
Dynamics ng e. -m. mga patlang Para sa ibinigay na mga relasyon sa materyal, posible na bumalangkas ng problema sa Cauchy - ang mga kasunod na halaga ng mga patlang ay tinutukoy mula sa paunang data. Mayroong dalawang dynamic na equation (naglalaman ng 1st order time derivative; ang frequency dispersion ay napapabayaan dito). Dalawang "static" na equation ang naglilimita sa uri ng mga paunang kundisyon. Halimbawa - vacuum na walang singil ()
Dynamics ng e. -m. mga field sa vacuum ang mga equation ni Maxwell ay naglalaman ng mga first-order time derivatives. Samakatuwid, ang pagtatakda ng mga lakas E at H sa paunang sandali ng oras ay sapat na upang matukoy ang karagdagang dinamika ng field (+ kundisyon ng hangganan). Paraan ng pagkalkula ng numero: FDTD – domain ng oras na may hangganan na pagkakaiba. – paksa para sa huling pagtatanghal
Ang mga paunang kondisyon (vacuum) ay hindi arbitrary. Dapat nilang sundin ang mga kundisyon Kung ito ay gayon, pagkatapos ay sa mga susunod na pagkakataon ang mga halaga ay mananatiling zero, dahil (div rot V = 0) Dahil sa mga equation ni Maxwell na may div, dalawang bahagi lamang ng mga vector na E 0 at H 0 ang maaari. arbitraryong tinukoy, tinutukoy ng mga equation na ito ang uri ng mga ikatlong bahagi. Halimbawa, hayaan ang ibinigay na Then (f ay isang arbitrary na function ng mga argumento nito)
Field dynamics (Cauchy problem)* Dahil ang mga equation ni Maxwell ay nasa unang pagkakasunud-sunod sa oras, kung gayon paunang kondisyon gawin itong posible upang matukoy ang mga halaga ng mga lakas ng electric at magnetic field sa kasunod na mga oras. Mga pagpapalawak ng Taylor para sa maliliit na agwat ng oras:
Mga Gawain Sa unang sandali t = 0 ay ibinigay: Hanapin ang kasunod na halaga ng mga tensyon. - bahay. gawain Sa ilang mga punto sa oras, ang mga bahagi ay ibinibigay: Hanapin ang uri ng ikatlong bahagi E sa parehong punto sa oras.
Evolutionary variable, halimbawa ng Helmholtz equation Homogeneous medium (vacuum), monochromatic radiation na may frequency ω Fixed (linear) polarization. Isa sa mga bahagi ng field f (Hadamard halimbawa)
Cauchy problem para sa Helmholtz equation Isaalang-alang ang isang sinag ng monochromatic radiation na may nangingibabaw na direksyon kasama ang z axis.
Cauchy problem para sa Helmholtz equation Limit Para sa finite z Para sa zero (sa limitasyon) na paunang data, mayroong solusyon na may posibilidad na infinity para sa finite z. Ngunit sa naturang paunang data mayroon ding zero na solusyon. Walang patuloy na pag-asa ng solusyon sa paunang data. Ang pahayag ng problema ay hindi tama. Phys. ang ibig sabihin ay counter waves.
Covariant formulation ng Maxwell's equation sa vacuum. Electromagnetic field tensors Ang mga lakas ng electric at magnetic field ay hindi ganap at may iba't ibang magnitude sa iba't ibang mga inertial frame ng reference na gumagalaw na may kaugnayan sa isa't isa na may bilis na V. Ang gawain ay upang ipakita ang relativistic invariance ng Maxwell's equation at hanapin ang Lorentz transformations para sa electromagnetic field . Ang anyo ng pagsulat ng equation ay magiging relativistically invariant kung ito ay isinusulat sa mga tuntunin ng mga scalar, 4-vector at tensor kung saan kilala ang mga pagbabagong Lorentz.
Covariant formulation...* Introduce 4-dimensional space-time with coordinates xk, k = 0, 1, 2, 3 Isa pang inertial coordinate system Lorentz transformation sa espesyal na kaso kapag ang velocity V ay may x-component lang 
Enerhiya-momentum tensor e. -m. fields Symmetry ayon sa mga index? Simbolo ng Kronecker para sa i = k at 0 kung hindi man. - kapal e. -m. enerhiya, - enerhiya flux density. Ang energy-momentum tensor (field at medium) ay nagsisilbing source ng space-time curvature sa mga gravitational equation ni Einstein.
Mga Gawain 1. Hanapin ang lakas ng electric at magnetic field ng isang point charge na gumagalaw sa pare-pareho ang bilis. 2. Suriin ang invariance ng mga dami at (E, H). 3. Suriin na ang covariant notation ng Maxwell's equation ay humahantong sa isang standard na notation para sa iba't ibang pagpipilian ng mga indeks. - ito ay ang lahat sa bahay. mga gawain
Equation ng electromagnetic wave front propagation Noong nakaraan, nalutas namin ang problema ng Cauchy, iyon ay, mula sa paunang data (sa t = 0) sa mga lakas ng field ay natukoy namin ang kasunod na dinamika ng field. Posible ito dahil ang mga equation ni Maxwell sa vacuum ay naglalaman lamang ng mga unang beses na derivatives ng mga tensyon. Isang mas pangkalahatang pagbabalangkas ng problema ng dinamika: Uch. manwal, pp. 13 -17
Ito ay binubuo ng dalawang bahagi: macroscopic electron theory, batay sa Maxwell's equation, at classical electron theory.
Ang mga pangunahing equation ng classical electrodynamics ay ang mga equation ni Maxwell, na nagtatag ng koneksyon sa pagitan ng mga dami na nagpapakilala sa mga electric at magnetic field na may pamamahagi ng mga singil at agos sa kalawakan. Ang kakanyahan ng apat na equation ni Maxwell para sa electromagnetic field ay qualitatively nabawasan sa mga sumusunod:
1. Ang magnetic field ay nabuo sa pamamagitan ng paglipat ng mga singil at isang alternating electric field;
2. Ang isang electric field na may mga saradong linya ng puwersa (vortex field) ay nabuo sa pamamagitan ng isang alternating magnetic field;
3. Ang mga linya ng magnetic field ay palaging sarado (nangangahulugan ito na wala itong mga mapagkukunan - mga magnetic charge na katulad ng mga electric);
4. Ang isang electric field na may naka-unlock na mga linya ng puwersa (potensyal na field) ay nabuo ng mga electric charge - ang mga pinagmumulan ng field na ito. Ang teorya ni Maxwell ay nagpapahiwatig ng finiteness ng bilis ng pagpapalaganap ng electromagnetic interactions at ang pagkakaroon ng electromagnetic waves.
Isinasaalang-alang din ng klasikal na electrodynamics ang mga electromagnetic wave, ang kanilang radiation at pagpapalaganap sa kalawakan.
Ang isang hiwalay na seksyon ng classical electrodynamics ay ang electrodynamics ng tuloy-tuloy na media, na isinasaalang-alang ang pagtugon ng pisikal na media sa mga kaguluhan ng panlabas na electric at magnetic field.
Ang libro ay isang kurso ng mga lektura sa classical electrodynamics, na binasa ng may-akda sa loob ng maraming taon sa undergraduate Physics Faculty ng St. Petersburg (Leningrad) Pambansang Unibersidad. Ang kurso ay batay sa mga pangunahing prinsipyo tulad ng mga equation ni Maxwell at ang prinsipyo ng relativity, na pinagsama sa relativistic covariant form ng mga electrodynamics equation. Sa kanilang batayan, ang mga pangunahing ideya at pamamaraan ng electrostatics, radiation theory, electrodynamics ng tuloy-tuloy na media at ang teorya ng waveguides ay patuloy na ipinakita. Ang materyal ay ipinakita sa isang mataas na antas ng mathematical rigor, na walang putol na pinagsama sa isang malinaw na presentasyon ng pisikal na nilalaman. Ang libro ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa sinuman na, na may pangunahing kaalaman sa larangan ng electrical phenomena at mathematical analysis, ay gustong makakuha ng malinaw at mathematically rigorous na pag-unawa sa parehong teoretikal na pundasyon at mga pamamaraan para sa paglutas ng karamihan. kumplikadong mga gawain electrodynamics.
Fragment mula sa libro.
Buod: kapag isinasaalang-alang ang mga problema sa radio engineering ng uri na "paano lumiwanag ang antenna na ito," siyempre, kami ay interesado lamang sa larangan na nilikha nito mismo, at upang ibukod ang mga panlabas na libreng larangan, natural na magpataw ng mga kinakailangang kondisyong asymptotic. sa kawalang-hanggan sa mga potensyal. Sa pormulasyon na ito, ang mga kundisyon ng gauge sa itaas ay nag-aayos ng mga potensyal na kakaiba. Ngunit kung interesado tayo sa mga libreng larangan mismo (na natural kapag bumubuo ng mga problema, halimbawa, sa quantum field theory), kung gayon hindi tayo maaaring magpataw ng mga kundisyon na hindi kasama ang mga mismong larangang ito.
Paunang Salita
1 Pangkalahatang panimula
1.1 Mga equation ni Maxwell.
1.2 Mathematical digression: mga notation convention, reference formula.
1.3 Integral na anyo ng mga equation ni Maxwell.
1.4 Ang kaugnayan sa pagitan ng kaugalian at integral na anyo ng mga equation ni Maxwell sa pagkakaroon ng mga ibabaw ng discontinuity. Mga kundisyon sa hangganan (mga kondisyon ng pagtutugma).
1.5 Continuity equation, batas sa konserbasyon ng singil.
1.6 Paglipat mula sa mga tensyon patungo sa mga potensyal. Ang mga equation ni Maxwell para sa mga potensyal.
1.7 Mga pagbabago sa pagkakalibrate at kundisyon ng pagkakalibrate.
2 Relativistic-covariant formulation ng electrodynamics
2.1 Mga Pagtatalaga.
2.2 Tensors sa SO3 rotation group at sa 03 group.
2.3 Tensor field.
2.4 Electrodynamics at ang prinsipyo ng relativity.
2.5 Lorentz transformations, pangkalahatang katangian.
2.6 Lorentz eigentransformations. Ang tahasang anyo ng mga pagbabago sa paglipat sa isang gumagalaw na reference frame..
2.7 Relativistic na batas ng pagdaragdag ng mga bilis. Pagbabawas ng sukat at oras ng pag-uunat.
2.8 Mga tensor at tensor field sa pangkat ng Lorentz.
2.9 Tensor na katangian ng mga potensyal at tensyon.
2.10 Covariant formulation ng mga equation ni Maxwell para sa mga potensyal.
2.11 Transversality K, continuity equation, gauge invariance ng Maxwell's equation, gauge conditions.
2.12 Pangkalahatang pagsasaalang-alang sa anyo ng mga equation ni Maxwell para sa mga potensyal.
2.13 Covariant na pagtatala ng mga equation ni Maxwell para sa mga tensyon.
2.14 Mga pagbabago sa mga potensyal at tensyon sa panahon ng paglipat sa isang gumagalaw na reference frame.
2.15 Electrodynamics mula sa pananaw teoretikal na mekanika. Aksyon functional para sa electromagnetic field.
2.16 Energy-momentum tensor. Mga batas ng konserbasyon ng enerhiya at momentum.
2.17 Mga elemento ng relativistic dynamics ng isang point particle. Lorentz force.
3 Statics
3.1 Mga pangunahing ugnayan.
3.2 Solusyon ng equation ni Poisson.
3.3 Multipole expansion ng scalar potential
sa electrostatics. Mga multipole na sandali at ang kanilang mga katangian.
3.4 Multifield expansion ng vector potential A sa magnetostatics. Magnetic na sandali ng isang arbitrary na kasalukuyang sistema.
3.5 Mga puwersa at sandali ng mga puwersa. kumikilos sa mga ibinahagi na mapagkukunan.
3.6 Potensyal na enerhiya ng isang sistema ng mga singil o agos
sa isang ibinigay na panlabas na larangan.
3.7 Sariling potensyal na enerhiya ng isang sistema ng mga singil o agos (enerhiya sa sarili nitong larangan).
3.8 Mga dielectric at magnet (statics).
3.9 Mga Batayan ng thermodynamics ng dielectrics at magnets. Mga puwersa ng lakas ng tunog sa mga dielectric at magnet.
3.10 Mga problema sa boundary value ng electrostatics at mga pamamaraan para sa kanilang solusyon....
4 Dynamics
4.1 Pahayag ng problema, pangkalahatang anyo ng solusyon.
4.2 Ang pagpapaandar ng wave operator ng Retarded Green....
4.3 Mga naantalang potensyal.
4.4 Field ng isang arbitraryong paglipat ng point charge. Liénard-Wiechert potensyal. Kapangyarihan ng radiation at pattern ng radiation.
4.5 Radiation mula sa mga localized na pinagmumulan, multipole decomposition.
4.6 Linear antenna na may gitnang paggulo.
4.7 Mga dynamic na equation ni Maxwell sa isang medium.
4.8 Mga Waveguide.
Index ng Paksa ng Panitikan
Libreng pag-download e-libro sa isang maginhawang format, panoorin at basahin:
I-download ang aklat na Classical Electrodynamics, maikling kurso ng mga lektura, gabay sa pag-aaral, Vasiliev A.N., 2010 - fileskachat.com, mabilis at libreng pag-download.
Paksa ng klasikal na electrodynamics
Ang classical electrodynamics ay isang teorya na nagpapaliwanag sa pag-uugali ng electromagnetic field na nagsasagawa ng electromagnetic interaction sa pagitan ng mga electric charge.
Ang mga batas ng klasikal na macroscopic electrodynamics ay nabuo sa mga equation ni Maxwell, na ginagawang posible upang matukoy ang mga halaga ng mga katangian ng electromagnetic field: lakas ng electric field. E at magnetic induction SA sa vacuum at sa mga macroscopic na katawan depende sa distribusyon sa espasyo mga singil sa kuryente at agos.
Ang interaksyon ng mga nakatigil na singil sa kuryente ay inilalarawan ng mga equation ng electrostatics, na maaaring makuha bilang resulta ng mga equation ni Maxwell.
Ang microscopic electromagnetic field na nilikha ng mga indibidwal na charged particle ay tinutukoy sa classical electrodynamics ng Lorentz-Maxwell equation, na sumasailalim sa classical statistical theory ng electromagnetic na proseso sa macroscopic body. Ang pag-average ng mga equation na ito ay humahantong sa mga equation ni Maxwell.
Sa lahat kilalang species mga pakikipag-ugnayan, ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay nangunguna sa mga tuntunin ng lawak at iba't ibang mga pagpapakita. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang lahat ng mga katawan ay binuo mula sa electrically charged (positibo at negatibo) na mga particle, ang electromagnetic interaction sa pagitan ng kung saan, sa isang banda, ay maraming mga order ng magnitude na mas matindi kaysa sa gravitational at mahina na pakikipag-ugnayan, at sa kabilang banda. , ay malayuan, sa kaibahan sa malakas na pakikipag-ugnayan.
Tinutukoy ng pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ang istraktura ng mga atomic shell, ang pagdirikit ng mga atom sa mga molekula (mga puwersa ng bono ng kemikal) at ang pagbuo ng condensed matter (interatomic interaction, intermolecular interaction).
Ang mga batas ng klasikal na electrodynamics ay hindi naaangkop sa mataas na frequency at, nang naaayon, maikling haba ng electromagnetic waves, i.e. para sa mga prosesong nagaganap sa maliliit na pagitan ng espasyo-oras. Sa kasong ito, ang mga batas ng quantum electrodynamics ay may bisa.
1.2. Ang electric charge at ang discreteness nito.
Teorya ng maikling saklaw
Ang pag-unlad ng pisika ay nagpakita na ang pisikal at Mga katangian ng kemikal Ang mga sangkap ay higit na tinutukoy ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan na dulot ng pagkakaroon at pakikipag-ugnayan ng mga singil sa kuryente ng mga molekula at mga atomo ng iba't ibang mga sangkap.
Alam na sa kalikasan mayroong dalawang uri ng mga singil sa kuryente: positibo at negatibo. Maaari silang umiral sa anyo ng mga elementarya na particle: mga electron, proton, positron, positibo at mga negatibong ion atbp., pati na rin ang "libreng kuryente", ngunit sa anyo lamang ng mga electron. Samakatuwid, ang isang positibong sisingilin na katawan ay isang koleksyon ng mga singil sa kuryente na may kakulangan ng mga electron, at ang isang negatibong sisingilin na katawan ay isang labis sa kanila. Ang mga singil ng iba't ibang mga palatandaan ay nagbabayad sa isa't isa, samakatuwid, sa mga hindi sinisingil na katawan ay palaging may mga singil ng parehong mga palatandaan sa mga dami na ang kanilang kabuuang epekto ay nabayaran.
Proseso ng muling pamamahagi ang mga positibo at negatibong singil ng mga katawan na hindi sinisingil, o sa mga indibidwal na bahagi ng parehong katawan, sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga kadahilanan ay tinatawag pagpapakuryente.
Dahil ang mga libreng electron ay muling ipinamamahagi sa panahon ng electrification, kung gayon, halimbawa, ang parehong mga nakikipag-ugnayan na katawan ay nakuryente, ang isa sa mga ito ay positibo at ang isa ay negatibo. Ang bilang ng mga singil (positibo at negatibo) ay nananatiling hindi nagbabago.
Mula dito ay sumusunod na ang mga singil ay hindi nilikha o nawasak, ngunit ipinamamahagi lamang sa pagitan ng mga nakikipag-ugnayan na katawan at mga bahagi ng parehong katawan, na nananatiling hindi nagbabago sa dami.
Ito ang kahulugan ng batas ng konserbasyon ng mga singil sa kuryente, na maaaring isulat sa matematika tulad ng sumusunod:
mga. sa isang nakahiwalay na sistema, ang algebraic na kabuuan ng mga singil sa kuryente ay nananatiling pare-parehong halaga.
Ang isang nakahiwalay na sistema ay nauunawaan bilang isang sistema sa pamamagitan ng mga hangganan kung saan walang ibang sangkap ang tumagos, maliban sa mga photon ng liwanag at mga neutron, dahil hindi sila nagdadala ng singil.
Dapat tandaan na ang kabuuang singil ng kuryente ng isang nakahiwalay na sistema ay relativistically invariant, dahil ang mga tagamasid na matatagpuan sa anumang ibinigay na inertial coordinate system, na sinusukat ang singil, ay nakakakuha ng parehong halaga.
Ang isang bilang ng mga eksperimento, lalo na ang mga batas ng electrolysis, ang eksperimento ni Millikan sa isang patak ng langis, ay nagpakita na sa kalikasan ang mga singil ng kuryente ay discrete sa singil ng isang elektron. Ang anumang singil ay isang integer multiple ng singil ng elektron.
Sa panahon ng proseso ng electrification, ang singil ay nagbabago nang discretely (quantized) sa halaga ng electron charge. Ang quantization ng singil ay isang unibersal na batas ng kalikasan.
Sa electrostatics, pinag-aaralan ang mga katangian at pakikipag-ugnayan ng mga singil na nakatigil sa frame of reference kung saan sila matatagpuan.
Ang pagkakaroon ng isang electric charge sa mga katawan ay nagdudulot sa kanila na makipag-ugnayan sa iba pang mga katawan na sinisingil. Sa kasong ito, ang mga katulad na sisingilin na katawan ay nagtataboy, at ang magkasalungat na sinisingil na mga katawan ay umaakit.
Ang teorya ng short-range interaction ay isa sa mga teorya ng interaksyon sa physics. Sa pisika, ang pakikipag-ugnayan ay nauunawaan bilang anumang impluwensya ng mga katawan o mga particle sa isa't isa, na humahantong sa pagbabago sa estado ng kanilang paggalaw.
Sa Newtonian mechanics, ang mutual action ng mga katawan sa isa't isa ay quantitatively characterized by force. Higit pa pangkalahatang katangian Ang pakikipag-ugnayan ay potensyal na enerhiya.
Sa una, itinatag ng pisika ang ideya na ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan ay maaaring isagawa nang direkta sa pamamagitan ng walang laman na espasyo, na hindi nakikibahagi sa paglipat ng pakikipag-ugnayan. Ang paglipat ng pakikipag-ugnayan ay nangyayari kaagad. Kaya, pinaniniwalaan na ang paggalaw ng Earth ay dapat na agad na humantong sa isang pagbabago sa gravitational force na kumikilos sa Buwan. Ito ang kahulugan ng tinatawag na theory of interaction, na tinatawag na theory of long-range action. Gayunpaman, ang mga ideyang ito ay inabandona bilang hindi totoo pagkatapos ng pagtuklas at pag-aaral ng electromagnetic field.
Napatunayan na ang pakikipag-ugnayan ng mga de-koryenteng katawan ay hindi kaagad at ang paggalaw ng isang sisingilin na particle ay humahantong sa isang pagbabago sa mga puwersa na kumikilos sa iba pang mga particle, hindi sa parehong sandali, ngunit pagkatapos lamang ng isang may hangganang oras.
Ang bawat particle na may kuryente ay lumilikha ng isang electromagnetic field na kumikilos sa iba pang mga particle, i.e. ang pakikipag-ugnayan ay ipinapadala sa pamamagitan ng isang "tagapamagitan" - isang electromagnetic field. Ang bilis ng pagpapalaganap ng electromagnetic field ay katumbas ng bilis ng pagpapalaganap ng liwanag sa isang vacuum. Bumangon bagong teorya teorya ng interaksyon ng short-range na interaksyon.
Ayon sa teoryang ito, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan ay isinasagawa sa pamamagitan ng ilang mga larangan (halimbawa, gravity sa pamamagitan ng isang gravitational field) na patuloy na ipinamamahagi sa kalawakan.
Matapos ang pagdating ng quantum field theory, ang ideya ng mga pakikipag-ugnayan ay nagbago nang malaki.
Ayon sa quantum theory, ang anumang larangan ay hindi tuloy-tuloy, ngunit may discrete structure.
Dahil sa duality ng wave-particle, ang bawat field ay tumutugma sa ilang mga particle. Ang mga naka-charge na particle ay patuloy na naglalabas at sumisipsip ng mga photon, na bumubuo sa electromagnetic field na nakapalibot sa kanila. Ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic sa quantum field theory ay ang resulta ng pagpapalitan ng mga particle ng mga photon (quanta) ng electromagnetic field, i.e. Ang mga photon ay mga tagadala ng gayong pakikipag-ugnayan. Katulad nito, ang iba pang mga uri ng pakikipag-ugnayan ay lumitaw bilang isang resulta ng pagpapalitan ng mga particle sa pamamagitan ng quanta ng kaukulang mga patlang.
Sa kabila ng iba't ibang impluwensya ng mga katawan sa isa't isa (depende sa pakikipag-ugnayan ng mga elementong particle na bumubuo sa kanila), sa likas na katangian, ayon sa modernong data, mayroon lamang apat na uri ng mga pangunahing pakikipag-ugnayan: gravitational, mahina, electromagnetic at malakas (sa pagkakasunud-sunod ng pagtaas ng intensity ng pakikipag-ugnayan). Ang mga intensity ng mga pakikipag-ugnayan ay tinutukoy ng mga constant ng pagkabit (sa partikular, ang singil ng kuryente para sa pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay isang pare-parehong pagkabit).
Ang modernong quantum theory ng electromagnetic interaction ay perpektong naglalarawan sa lahat ng kilalang electromagnetic phenomena.
Noong 60s at 70s ng siglo, isang pinag-isang teorya ng mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan (ang tinatawag na electroweak na interaksyon) ng mga lepton at quark ay karaniwang binuo.
Modernong teorya Ang malakas na pakikipag-ugnayan ay ang quantum chromodynamics.
Ang mga pagtatangka ay ginagawa upang pagsamahin ang mga electroweak at malakas na pakikipag-ugnayan sa tinatawag na "Grand Unification", pati na rin isama ang mga ito sa isang solong pamamaraan ng gravitational interaction.
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF RUSSIA FEDERAL STATE BUDGET
EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER
EDUKASYONG PANGPROPESYUNAL
"Don State Technical University"
(DSTU)
sa pamamagitan ng disiplina "Mga konsepto modernong natural na agham»
Paksa Blg. 1.25 Pagbuo at pag-unlad ng klasikal na electrodynamics
(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).
Electrodynamic na larawan ng mundo.
Ginawa: Onuchina A.A.
mag-aaral 1 direksyon ng paghahanda ng kurso pag-aaral ng distansya
pangkat IZES11 Grade book no. 1573242
Sinuri ________________
Rostov-on-Don
Plano:
1. Kasaysayan ng electrodynamics………………………………………………………………..3
2. Pagbubuo at pag-unlad ng klasikal na electrodynamics.……………………………… 5
3. Electrodynamic na larawan ng mundo.………………………..………………………………10
Listahan ng mga sanggunian……..…………………………………………13
Kasaysayan ng electrodynamics.
Klasikong electrodynamics ay isang teorya ng mga prosesong electromagnetic sa iba't ibang media at sa isang vacuum. Sinasaklaw ang isang malaking hanay ng mga phenomena kung saan ang pangunahing papel ay ginagampanan ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga sisingilin na particle na isinasagawa sa pamamagitan ng isang electromagnetic field.
Ang kasaysayan ng electrodynamics ay ang kasaysayan ng ebolusyon ng mga pangunahing pisikal na konsepto. Hanggang sa kalagitnaan ng ika-18 siglo, ang mga mahahalagang resulta ng eksperimento ay itinatag dahil sa kuryente: pagkahumaling at pagtanggi, ang paghahati ng mga sangkap sa mga conductor at insulator, ang pagkakaroon ng dalawang uri ng kuryente ay natuklasan. Ang pag-unlad ay ginawa sa pag-aaral ng magnetism.
Praktikal na paggamit nagsimula ang kuryente noong ikalawang kalahati ng ika-18 siglo. Ang pangalan ng Fraclin (1706-1790) ay nauugnay sa paglitaw ng hypothesis tungkol sa kuryente bilang isang espesyal na materyal na sangkap. Noong 1785, itinatag ni C. Coulomb ang batas ng pakikipag-ugnayan ng dalawang puntong singil. Ang isang bilang ng mga imbensyon ng mga instrumento sa pagsukat ng elektrikal ay nauugnay sa pangalan ng A. Volta (1745-1827). Ang batas ng Ohm ay itinatag noong 1826. Noong 1820, natuklasan ni Oersted ang magnetic effect ng electric current. Noong 1820, isang batas ang itinatag na tumutukoy sa mekanikal na puwersa kung saan kumikilos ang isang magnetic field sa isang elemento ng electric current na ipinasok dito - ang batas ng Ampere. Itinatag din ni Ampere ang batas ng puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang alon.
Ang partikular na kahalagahan sa pisika ay ang hypothesis ng mga molekular na alon, na iminungkahi ni Ampere noong 1820.
Noong 1831, natuklasan ni Faraday ang batas ng electromagnetic induction. Noong 1873, binalangkas ni James Clerk Maxwell (1831-1879) ang mga maikling equation na naging teoretikal na batayan electrodynamics. Ang isa sa mga kahihinatnan ng mga equation ni Maxwell ay ang paghula ng likas na katangian ng EM ng liwanag, at hinulaan din niya ang posibilidad ng pagkakaroon ng mga EM wave. Unti-unti, binuo ng agham ang isang ideya ng larangan ng EM bilang isang independiyenteng entidad ng materyal na siyang tagapagdala ng mga pakikipag-ugnayan ng EM sa espasyo. Ang iba't ibang mga electrical at magnetic phenomena na naobserbahan ng mga tao mula pa noong una ay palaging pumukaw sa kanilang pagkamausisa at interes. Kadalasan, ang terminong electrodynamics ay tumutukoy sa classical electrodynamics, na naglalarawan lamang ng tuluy-tuloy na mga katangian ng electromagnetic field. Ang electromagnetic field ay ang pangunahing paksa ng pag-aaral ng electrodynamics, isang uri ng bagay na nagpapakita ng sarili kapag nakikipag-ugnayan sa mga sisingilin na katawan. Noong 1895, ginawa ni Popov A.S. ang pinakadakilang imbensyon - radyo. Nagkaroon ito ng malaking epekto sa kasunod na pag-unlad ng agham at teknolohiya. Ang lahat ng electromagnetic phenomena ay maaaring ilarawan gamit ang mga equation ni Maxwell, na nagtatatag ng koneksyon sa pagitan ng mga dami na nagpapakilala sa mga electric at magnetic field at ang pamamahagi ng mga singil at agos sa kalawakan.
Pagbuo at pag-unlad ng klasikal na electrodynamics
(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).
Ang isang mahalagang hakbang sa pag-unlad ng electrodynamics ay ang pagtuklas ni M. Faraday ng phenomenon ng electromagnetic induction - paggulo ng isang alternating magnetic field ng electromotive force sa conductors - na naging batayan ng electrical engineering.
Michael Faraday - English physicist, ay ipinanganak sa labas ng London sa pamilya ng isang panday. Pagkatapos ng pagtatapos mababang Paaralan, mula sa edad na labindalawa ay nagtrabaho siya bilang isang delivery boy ng pahayagan, at noong 1804 siya ay naging isang apprentice sa bookbinder na si Ribot, isang French emigrant na sa lahat ng posibleng paraan ay hinikayat ang marubdob na pagnanais ni Faraday para sa self-education. Sa pamamagitan ng pagbabasa at pagdalo sa mga lektura, hinangad ni Faraday na palawakin ang kanyang kaalaman, at higit sa lahat ay naakit siya natural na Agham- kimika at pisika. Noong 1813, ipinakita ng isa sa mga customer si Faraday ng mga invitation card sa mga lektura ni Humphry Davy, na gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa kapalaran ng binata. Ang pagkakaroon ng isang liham kay Davy, si Faraday, sa kanyang tulong, ay nakatanggap ng isang posisyon bilang isang katulong sa laboratoryo sa Royal Institution.
Pang-agham na aktibidad Nagpatuloy si Faraday sa loob ng mga pader ng Royal Institution, kung saan una niyang tinulungan si Davy mga eksperimento sa kemikal, at pagkatapos ay nagsimula ng independiyenteng pananaliksik. Faraday liquefied chlorine at ilang iba pang mga gas at nakuha ang benzene. Noong 1821, una niyang naobserbahan ang pag-ikot ng isang magnet sa paligid ng isang kasalukuyang nagdadala ng conductor at isang kasalukuyang nagdadala ng conductor sa paligid ng isang magnet, at nilikha ang unang modelo ng isang electric motor. Sa susunod na 10 taon, pinag-aralan ni Faraday ang koneksyon sa pagitan ng mga electrical at magnetic phenomena. Ang kanyang pananaliksik ay nagtapos sa pagtuklas noong 1831 ng phenomenon ng electromagnetic induction. Detalyadong pinag-aralan ni Faraday ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, hinubad ang pangunahing batas nito, at nalaman ang pag-asa ng kasalukuyang induction sa magnetic properties kapaligiran, sinisiyasat ang kababalaghan ng self-induction at dagdag na alon ng pagsasara at pagbubukas.
Ang pagtuklas ng kababalaghan ng electromagnetic induction ay agad na nakakuha ng napakalaking siyentipiko at praktikal na kahalagahan; ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay pinagbabatayan, halimbawa, ang pagpapatakbo ng lahat ng direkta at alternating kasalukuyang generator. Ang pagnanais na ipakita ang likas na katangian ng electric current ay humantong sa Faraday sa mga eksperimento sa pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng mga solusyon ng mga acid, salts at alkalis. Ang resulta ng mga pag-aaral na ito ay ang pagtuklas ng mga batas ng electrolysis noong 1833. Noong 1845, natuklasan ni Faraday ang kababalaghan ng pag-ikot ng eroplano ng polarization ng liwanag sa isang magnetic field. Sa parehong taon natuklasan niya ang diamagnetism, noong 1847 - paramagnetism, at noong 1833 naimbento niya ang voltmeter.
Naimpluwensyahan ang mga ideya ni Faraday tungkol sa mga electric at magnetic field malaking impluwensya para sa pag-unlad ng lahat ng pisika. Noong 1832, iminungkahi ni Faraday na ang pagpapalaganap ng mga interaksyon ng electromagnetic ay isang proseso ng alon na nagaganap sa isang may hangganang bilis, at noong 1845 una niyang ginamit ang terminong "magnetic field."
Ang mga natuklasan ni Faraday ay nakakuha ng malawakang pagkilala sa buong mundo siyentipikong mundo. Bilang parangal kay Michael Faraday, itinatag ng British Chemical Society ang Faraday Medal, isa sa mga pinaka-kagalang-galang na parangal sa agham.
Sinusubukang ipaliwanag ang kababalaghan ng electromagnetic induction batay sa konsepto ng long-range action, ngunit nakakaranas ng mga paghihirap, iminungkahi niya na ang electromagnetic na pakikipag-ugnayan ay nangyayari sa pamamagitan ng electromagnetic field, batay sa konsepto ng short-range na aksyon. Ito ay minarkahan ang simula ng pagbuo ng konsepto ng electromagnetic field, na pormal na ginawa ni D. Maxwell. James Clerk Maxwell - English physicist. Ipinanganak sa Edinburgh. Sa ilalim ng kanyang pamumuno, nilikha ang sikat na Cavendish Laboratory sa Cambridge, na pinamunuan niya hanggang sa katapusan ng kanyang buhay.
Ang mga gawa ni Maxwell ay nakatuon sa electrodynamics, molecular physics, general statistics, optika, mechanics, at elasticity theory. Ginawa ni Maxwell ang kanyang pinakamahalagang kontribusyon sa molecular physics at electrodynamics. Sa kinetic theory ng mga gas, kung saan siya ay isa sa mga tagapagtatag, itinatag niya ang bilis ng pamamahagi ng mga function ng mga molekula, batay sa pagsasaalang-alang ng direkta at baligtad na banggaan, at binuo ang teorya ng transportasyon sa pangkalahatang pananaw, paglalapat nito sa mga proseso ng pagsasabog, thermal conductivity at panloob na alitan, ipinakilala ang konsepto ng pagpapahinga. Noong 1867, ang una ay nagpakita ng istatistikal na katangian ng pangalawang batas ng thermodynamics, at noong 1878 ipinakilala niya ang terminong "statistical mechanics".
Ang pinakadakilang nakamit na siyentipiko ni Maxwell ay ang teorya ng electromagnetic field na nilikha niya noong 1860-1865. Sa kanyang teorya ng electromagnetic field, gumamit si Maxwell ng bagong konsepto - displacement current, tinukoy ang electromagnetic field at hinulaan ang isang bagong mahalagang epekto: pagkakaroon sa libreng espasyo. electromagnetic radiation, mga electromagnetic wave at ang pagpapalaganap nito sa kalawakan sa bilis ng liwanag. Ang siyentipiko ay bumuo din ng isang teorama sa teorya ng pagkalastiko, itinatag ang mga ugnayan sa pagitan ng mga pangunahing thermophysical parameter, binuo ang teorya ng color vision, at pinag-aralan ang katatagan ng mga singsing ni Saturn, na nagpapakita na ang mga singsing ay hindi solid o likido, ngunit isang kuyog ng mga meteorite. Nagdisenyo si Maxwell ng ilang instrumento. Siya ay isang sikat na popularizer ng pisikal na kaalaman.
1) ang magnetic field ay nabuo sa pamamagitan ng paglipat ng mga singil at isang alternating electric field (displacement current);
2) isang electric field na may mga saradong linya ng puwersa (vortex field) ay nabuo sa pamamagitan ng isang alternating magnetic field;
3) ang mga linya ng magnetic field ay palaging sarado (nangangahulugan ito na wala itong mga mapagkukunan - mga magnetic charge na katulad ng mga electric);
4) isang electric field na may bukas na mga linya ng puwersa (potensyal na patlang) ay nabuo sa pamamagitan ng electric charges - ang mga pinagmumulan ng field na ito.
Ang teorya ni James Maxwell ay nagpapahiwatig ng finiteness ng bilis ng pagpapalaganap ng electromagnetic interaction at ang pagkakaroon ng electromagnetic waves. Ang teorya ni Maxwell ng electromagnetic field ay isang pundamental na paglalahat ng electrodynamics, kaya nararapat itong sumakop sa isang marangal na lugar sa mga pinakadakilang nakamit na siyentipiko ng sangkatauhan, tulad ng klasikal na mekanika, relativistic physics at quantum mechanics. Noong 1861-1862, inilathala ni James Maxwell ang kanyang artikulo sa mga pisikal na linya ng puwersa. Batay sa praktikal na pagkakataon ng bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic disturbances at ang bilis ng liwanag, iminungkahi ni Maxwell na ang liwanag ay isa ring electromagnetic disturbance. At ang ideyang ito, na tila ganap na hindi kapani-paniwala para sa oras na iyon, ay biglang nagsimulang makakuha ng pang-eksperimentong kumpirmasyon.
At tila maayos ang lahat, ngunit noong 1885, isang guro sa paaralan ng mga babae sa Basel, si Johann Jakob Balmer, pagkatapos ng kanyang mga eksperimento, ay nagsulat ng isang maikling artikulo, literal na dalawang pahina ang haba, na nagsasabing: "Bigyang-pansin ang mga parang multo na linya. ng hydrogen." Na naglagay ng mga teoretikal na pisiko sa isang estado ng pagkahilo sa susunod na dalawang dekada. Ang malinaw na parang multo na mga linya ng serye ng Balmer ay malinaw na ipinakita sa pandaigdigang pisikal na pang-agham na komunidad na hindi lahat ay napakasimple sa mundong ito.
Ang pag-unlad ng klasikal na electrodynamics pagkatapos ng Maxwell ay nagpatuloy sa maraming direksyon, kung saan napapansin natin ang dalawang pangunahing. Una, ang mathematical side ng Maxwell's theory ay napabuti at ilang mga bagong resulta ay nakuha. Pangalawa, nagkaroon ng pag-iisa ng teorya ng electromagnetic field na may mga pangunahing ideya ng teorya ng istraktura ng bagay. Ang huling direksyon ay humantong sa paglikha ng elektronikong teorya.
Gusto ko ring banggitin ang namumukod-tanging German physicist na si Heinrich Rudolf Hertz. Nagtapos siya sa Unibersidad ng Berlin at mula 1885 hanggang 1889 ay isang propesor ng pisika sa Unibersidad ng Karlsruhe. Mula noong 1889 - propesor ng pisika sa Unibersidad ng Bonn.
Ang pangunahing tagumpay ay ang pang-eksperimentong kumpirmasyon ng electromagnetic theory ng liwanag ni James Maxwell. Pinatunayan ni Hertz ang pagkakaroon ng mga electromagnetic wave.
Binuo niya ang electrodynamics ng mga gumagalaw na katawan batay sa hypothesis na ang eter ay dinadala ng mga gumagalaw na katawan. Gayunpaman, ang kanyang teorya ng electrodynamics ay hindi nakumpirma ng mga eksperimento at kalaunan ay nagbigay daan sa elektronikong teorya ni Hendrik Lorentz. Ang mga resulta na nakuha ni Hertz ay naging batayan para sa paglikha ng radyo. Noong 1886, unang naobserbahan at inilarawan ni Hertz ang panlabas na photoelectric effect. Binuo ni Hertz ang teorya ng isang resonant circuit, pinag-aralan ang mga katangian ng cathode rays, at sinisiyasat ang epekto ng ultraviolet rays sa electric discharge. Mula noong 1933, ang frequency unit na Hertz, na kasama sa international metric system ng mga unit na SI, ay pinangalanan sa Hertz.
Ang pisika ay isa sa pinakamahalagang agham na pinag-aralan ng tao. Ang presensya nito ay kapansin-pansin sa lahat ng mga lugar ng buhay, kung minsan ang mga pagtuklas ay nagbabago pa nga ng takbo ng kasaysayan. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga dakilang pisiko ay lubhang kawili-wili at makabuluhan para sa mga tao.
Ang Electrodynamics ay isang larangan ng pisika na nag-aaral ng mga katangian at pattern ng pag-uugali ng electromagnetic field at ang paggalaw ng mga electric charge na nakikipag-ugnayan sa isa't isa sa pamamagitan ng field na ito.
Maraming magagaling na physicist ang nag-alay ng kanilang buhay sa pagsisikap na makahanap ng mga sagot sa mga tanong na kailangan ng sangkatauhan. Ang mundo ay hindi tumitigil, ang lahat ay dumadaloy at nagbabago, ang planeta ay umiikot sa paligid ng axis nito, ang isang bagyo ay laging may kasamang kidlat at kulog, at ang mga dahon ay nahuhulog sa lupa. At ito ay mga bagay na simple sa unang tingin na pumukaw sa interes ng isang tao sa eksakto at natural na mga agham.
Kaugnay na impormasyon.
