Класична електродинаміка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Класична електродинаміка
VFPt Solenoid correct2.svg
Електрика · Магнетизм

Класи́чна електродина́міка (рос. электродинамика, англ. electrodynamics) — розділ фізики, який займається вивченням взаємодії наелектризованих, намагнічених тіл та провідників зі струмами.

Предмет електродинаміки включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (в різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) і його взаємодія з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянуто при цьому як сукупність рухомих заряджених частинок). Будь-яке електричне і магнітне взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснюване за посередництвом електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.

Найчастіше під терміном «електродинаміка» за замовчуванням розуміється класична (не зачіпає квантових ефектів) електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.

Базовими поняттями класичної електродинаміки є уявлення про електричне та магнітне поле навколо заряджених тіл і провідників зі струмом.

Складається з двох частин: макроскопічної електродинаміки, що базується на рівняннях Максвелла, і класичної електронної теорії.

Основнии рівняннями класичної електродинаміки є рівняння Максвелла, які встановлюють зв'язок величин, що характеризують електричні та магнітні поля, з розподілом у просторі зарядів та струмів. Суть чотирьох рівнянь Максвелла для електромагнітного поля якісно зводиться до наступного:

  1. Магнітне поле породжується рухомими зарядами та змінним електричним полем;
  2. Електричне поле з замкнутими силовими лініями (вихрове поле) породжується змінним магнітним полем;
  3. Силові лінії магнітного поля завжди замкнуті (це означає, що воно не має джерел — магнітних зарядів, подібних електричним);
  4. Електричне поле з незамкненими силовими лініями (потенційне поле) породжується електричними зарядами — джерелами цього поля. З теорії Максвелла витікає скінченність швидкості розповсюдження електромагнітних взаємодій та існування електромагнітних хвиль.

В класичній електродинаміці розглядаються також електромагнітні хвилі, їхнє випромінювання й розповсюдження в просторі.

Окремим розділом класичної електродинаміки є електродинаміка суцільних середовищ, в якій розглядається відклик фізичних середовищ на збурення зовнішнім електричним і магнітним полем.

Зміст електродинаміки[ред.ред. код]

Основним змістом класичної електродинаміки є опис властивостей електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими тілами (заряджені тіла «породжують» електромагнітне поле, є його «джерелами», а електромагнітне поле в свою чергу діє на заряджені тіла, створюючи електромагнітні сили). Цей опис, окрім визначення основних об'єктів і величин, таких як електричний заряд, електричне поле, магнітне поле, електромагнітний потенціал, зводиться до рівнянь Максвелла в тій чи іншій формі і формулою сили Лоренца, а також зачіпає деякі суміжні питання (пов'язані з математичної фізики, додаткам, допоміжним величинам і допоміжним формулами, важливим для програм, як наприклад вектор щільності струму або емпіричний закону Ома). Також цей опис включає питання збереження і перенесення енергії, імпульсу, моменту імпульсу електромагнітним полем, включаючи формули для щільності енергії, вектора Пойнтінга тощо

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

Спеціальні розділи електродинаміки[ред.ред. код]

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

Основні поняття[ред.ред. код]

Основні поняття, якими оперує електродинаміка, включають в себе:

Основні рівняння[ред.ред. код]

Основними рівняннями, що описують поведінку електромагнітного поля і його взаємодія із зарядженими тілами є:

Частковими рівняннями, що мають особливе значення є:

Історія[ред.ред. код]

Першим доказом зв'язку електричних і магнітних явищ стало експериментальне відкриття Ерстед у 18191820 породження магнітного поля електричним струмом. Він же висловив ідею про деяке взаємодії електричних і магнітних процесів у просторі, що оточує провідник, однак у досить нечіткій формі.

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

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

У 1895 році Лоренц завершив побудову класичної електродинаміки, описавши взаємодію електромагнітного поля з (рухомими) точковими зарядженими частинками.

У середині XX століття була створена квантова електродинаміка — одна з найточніших фізичних теорій.

Прикладне значення[ред.ред. код]

Електродинаміка лежить в основі фізичної оптики, фізики розповсюдження радіохвиль, а також пронизує практично всю фізику, так як майже у всіх розділах фізики доводиться мати справу з електричними полями і зарядами, а часто і з їх нетривіальними швидкими змінами і рухами. Крім того, електродинаміка є зразковою фізичної теорією (і в класичному і в квантовому своєму варіанті), що поєднує дуже велику точність розрахунків і прогнозів з впливом теоретичних ідей, народжених в її області, на інші галузі теоретичної фізики. Електродинаміка має величезне значення в техніці і лежить в основі: радіотехніки, електротехніки, різних галузей зв'язку та радіо.

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Сугаков В. Й. Електродинаміка. — К.: Вища школа, 1974. — 271 с.
  • Федорченко А. М. Класична механіка і електродинаміка // Теоретична фізика. — К.: Вища школа, 1992. — Т. 1. — 535 с.
  • Джексон Дж. Классическая электродинамика. — М.: Мир, 1965. — 702 с.
  • Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамика. — М.: Физматгиз, 1963. — 432 с.
  • Смайт В. Электростатика и электродинамика. — М.: ИЛ, 1954. — 606 с.
  • Стрэттон Дж. А. Теория электромагнетизма. — М.: ГИТТЛ, 1948. — 540 с.
  • Тамм И. Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1989. — 500 с.


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.