Elektrodinamika

Kami menjelaskan apa elektrodinamika, sejarah, yayasan, undang -undang utama, dan aplikasi

Apa itu elektrodinamika?

Itu elektrodinamika Itu adalah cabang fisika yang menghadiri segala sesuatu yang berkaitan dengan pergerakan muatan listrik. Jelaskan apa evolusi pada saat satu set partikel N dengan muatan massa dan listrik, di mana posisi dan kecepatan awalnya diketahui.

Jika itu adalah satu set partikel besar dengan momentum Kecil, gerakan mereka dan interaksi yang terjadi di antara mereka dijelaskan secara makroskopis melalui elektrodinamika klasik, yang memanfaatkan hukum Newton tentang gerakan dan hukum Maxwell.

Dan jika momentum partikel besar dan jumlah partikel kecil, efek relativistik dan kuantum harus diperhitungkan.

Tambahkan efek relativistik dan kuantum ke dalam studi sistem tergantung pada energi foton yang terlibat selama interaksi. Foton adalah partikel tanpa beban atau massa (untuk tujuan praktis) yang dipertukarkan setiap kali ada daya tarik atau tolakan listrik.

Jika momentum foton kecil, dibandingkan dengan momentum sistem, deskripsi klasik cukup untuk mendapatkan karakterisasi ini.

Sejarah Elektrodinamika Singkat

Undang -undang yang menggambarkan dinamika partikel -partikel bermuatan ditemukan antara akhir abad ke -18 dan pertengahan abad ke -19, ketika konsep arus listrik muncul, sebagai hasil dari karya eksperimental dan teoritis dari banyak ilmuwan.

Fisikawan Italia Alessandro Volta (1745-1827) memproduksi tumpukan volta pertama pada awal abad kesembilan belas. Dengan itu ia memperoleh arus kontinu, yang efeknya mulai dipelajari segera.

Ilustrasi Alessandro Volta

Hubungan antara muatan listrik yang bergerak dan magnetme terungkap dengan eksperimen fisikawan Hans Christian Oersted (1777-1851) pada tahun 1820. Di dalamnya diamati bahwa arus listrik mampu memindahkan jarum kompas dengan cara yang sama seperti magnet.

André Marie Ampere (1775-1836) yang mendirikan dengan cara matematika hubungan antara arus dan magnet, melalui hukum yang menyandang namanya.

Secara bersamaan, Georg Simon Ohm (1789-1854) secara kuantitatif mempelajari cara bahan melakukan listrik. Dia juga mengembangkan konsep resistensi listrik dan hubungannya dengan tegangan dan arus, melalui hukum Ohm untuk sirkuit.

Itu dapat melayani Anda: Teori Stasioner Negara: Sejarah, Penjelasan, Berita

Michael Faraday (1791-1867) menemukan cara untuk menghasilkan arus melalui gerakan relatif antara sumber medan magnet dan sirkuit tertutup.

Beberapa waktu kemudian, fisikawan James Clerk Maxwell (1831-1879) menciptakan teori untuk elektromagnetisme yang menyatukan semua undang-undang yang ditemukan, menjelaskan fenomena yang diketahui sampai saat itu.

Selain itu, melalui persamaannya, Maxwell memperkirakan beberapa efek yang kemudian dikonfirmasi. Misalnya, ketika Heinrich Hertz (1857-1894), penemu gelombang radio, memverifikasi bahwa mereka bergerak dengan kecepatan cahaya.

Dengan munculnya teori relativitas, pada awal abad ke -20, dimungkinkan untuk menjelaskan perilaku partikel dengan kecepatan yang dekat dengan cahaya. Sementara itu, mekanika kuantum menyempurnakan elektrodinamika dengan memperkenalkan konsep putaran dan menjelaskan asal mula magnet dalam masalah ini.

Fundamental Elektrodinamika

Elektrodinamika berurusan dengan mempelajari beban bergerak

Elektrodinamika didasarkan pada empat undang -undang, yang dikenal sebagai: Hukum Coulomb, Hukum Gauss, Hukum Ampere dan Hukum Faraday.

Keempat undang -undang ini, ditambah prinsip konservasi beban, yang berasal dari mereka dan hukum kekuatan Lorentz, menggambarkan bagaimana biaya listrik berinteraksi dari sudut pandang klasik (tanpa mempertimbangkan foton sebagai mediator).

Jika kecepatan partikel dekat dengan cahaya, perilakunya dimodifikasi dan perlu untuk menambah teori klasik beberapa koreksi relativistik yang berasal dari teori relativitas Albert Einstein (Elektrodinamika relativistik).

Dan ketika skala fenomena untuk dipelajari adalah skala atom atau lebih kecil, efek kuantum memperoleh relevansi, sehingga menimbulkan Elektrodinamika kuantum.

Dasar -dasar matematika elektrodinamika

Matematika yang diperlukan untuk studi elektrodinamika adalah aljabar vektor dan perhitungan vektor, karena medan listrik dan magnet adalah entitas yang bersifat vektor. Bidang skalar juga berpartisipasi, seperti potensi listrik dan fluks magnetik.

Dapat melayani Anda: Optik Geometris: Studi, Hukum, Aplikasi, Latihan Apa

Operator matematika untuk mereka yang berasal dari fungsi vektor adalah:

• Gradien.
• Perbedaan.
• Rotasi.
• Laplaciano.

Sistem koordinat diperlukan untuk resolusi Maxwell. Selain koordinat cartesian, penggunaan koordinat silinder dan koordinat bola sering terjadi.

Dalam integrasi teorema hijau, Stokes dan teorema divergensi muncul.

Akhirnya, ada fungsi yang disebut Dirac Delta, yang didefinisikan melalui propertinya dan sangat berguna untuk mengekspresikan distribusi pengisian terbatas pada dimensi tertentu, misalnya distribusi linier, superfisial, titik atau bidang.

Gelombang elektromagnetik

Asal usul gelombang elektromagnetik dalam beban listrik yang gerakannya dipercepat. Arus listrik variabel dalam waktu, menghasilkan medan listrik, dijelaskan oleh fungsi vektor DAN (x, y, z, t) dan pada gilirannya menghasilkan medan magnet B (X, y, z, t).

Bidang -bidang ini digabungkan untuk membentuk medan elektromagnetik, di mana medan listrik berasal dari medan magnet dan sebaliknya.

Hukum Elektrodinamik

Ketika muatan listrik statis, di antaranya ada daya tarik atau tolakan elektrostatik, sementara interaksi magnetik muncul dari pergerakan beban.

Empat persamaan Maxwell menghubungkan masing -masing bidang dengan sumbernya, dan bersama -sama dengan kekuatan Lorentz, mereka membentuk dasar teoretis elektrodinamika.

Plakat peringatan dengan persamaan Maxwell (dalam hal operator diferensial), yang merupakan bagian dari patung yang didirikan di kota Edinburgh untuk menghormati fisikawan Skotlandia. Sumber: Wikimedia Commons.

Hukum Gauss

Aliran medan listrik yang keluar dari volume yang tertutup oleh permukaan tertutup, sebanding dengan beban bersih yang tertutup di dalamnya:

Di mana DKE Itu adalah diferensial area dan k Itu adalah konstanta elektrostatik. Undang -undang ini adalah konsekuensi dari undang -undang Coulomb untuk kekuatan antara tuduhan listrik.

Hukum Magnet Gauss

Aliran medan magnet melalui volume yang dibatasi oleh permukaan tertutup adalah nol, karena monopol magnetik tidak ada.

Akibatnya, selama magnet dikurung dalam volume yang dibatasi oleh S, jumlah garis medan ke S sama dengan jumlah garis yang keluar:

Dapat melayani Anda: lengan tuas

Hukum Faraday

Michael Faraday menemukan bahwa gerakan relatif antara spase logam tertutup C dan magnet menghasilkan arus yang diinduksi. Tegangan terinduksi (gaya elektromotif) ε_ind, Terkait dengan arus ini, ini sebanding dengan turunan sementara dari fluks magnetik φ_B yang melintasi area yang dibatasi oleh La Espira:

Semakin sedikit tanda adalah hukum Lenz, yang menunjukkan bahwa tegangan yang diinduksi menentang perubahan aliran yang menghasilkannya. Tetapi gaya elektromotor yang diinduksi adalah garis integral dari medan listrik di sepanjang jalan tertutup C, oleh karena itu:

Hukum Ampere-Maxwell

Sirkulasi medan magnet pada kurva C sebanding dengan arus total yang menutupi kurva. Ada dua kontribusi untuk itu: arus konduksi I dan arus perpindahan yang berasal dari variasi pada waktu aliran listrik φ_DAN:

Dimana μ_{salah satu} dan ε_{salah satu} Mereka konstan, yang pertama adalah Permeabilitas vakum Dan yang kedua PEMERINTAH LISTRIK.

Hukum Lorentz

Persamaan Maxwell menggambarkan hubungan antara DAN, B dan sumbernya masing -masing, tetapi dinamika muatan listrik dijelaskan oleh hukum Lorentz atau hukum Lorentz.

Dia menunjukkan bahwa kekuatan total yang bertindak berdasarkan beban Q yang bergerak dengan kecepatan v Di tengah medan listrik DAN dan medan magnet B (tidak diproduksi oleh Q) diberikan oleh:

F = qDAN + Qv X B

Aplikasi Elektrodinamik

Beban bergerak yang dipesan merupakan arus listrik, yang mampu menghasilkan energi untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat: bola lampu, memindahkan mesin, singkatnya, memulai banyak perangkat.

Distribusi Tenaga Listrik

Elektrodinamika memungkinkan transmisi listrik, melalui arus bolak -balik, dari tempat -tempat yang jauh di mana energi diubah dan dihasilkan, ke kota -kota, industri, dan rumah tangga.

elektronik

Memiliki tujuannya studi tentang beban bergerak, elektrodinamika adalah fondasi fisik elektronik, yang berkaitan dengan perangkat desain yang, melalui sirkuit elektronik, memanfaatkan aliran beban listrik untuk menghasilkan, mentransmisikan, menerima, menerima dan menyimpan sinyal elektromagnetik yang itu berisi informasi.

Referensi

1. Cosenza, m. Elektromagnetisme. Universitas Andes.
2. Díaz, r. Elektrodinamika: Catatan Kelas. Universitas Nasional Kolombia.
3. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Electodynamics klasik. 3. Ed. Wiley.
5. Tarazona, c. Pengantar Elektrodinamika. Universitas Editorial Manuela Beltrán.