Wypracowania

Czym zajmuje się elektrodynamika?

Elektrodynamika jest działem fizyki zajmującym się badaniem własności obiektów naładowanych i oddziaływaniem między nimi. Elektrodynamikę można podzielić jeszcze na elektrodynamikę klasyczną i elektrodynamikę kwantową.

Elektrodynamika klasyczna opisuje w klasyczny sposób oddziaływania elektromagnetyczne bazując na takich pojęciach jak pole elektryczne, pole magnetyczne, ładunek elektryczny i prąd elektryczny. Podstawę całego elektromagnetyzmu tworzą równania Maxwella. Natomiast fundamentalnym prawem jest prawo zachowania ładunku.

Natomiast kwantowym uogólnieniem tej elektrodynamiki jest elektrodynamika kwantowa.

Ładunkiem elektrycznym nazywa się miarę siły wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego niektórych cząstek elementarnych.

Za ładunek elementarny przyjmuje się wartość bezwzględną ładunku elektronu. Wynosi ona: .

Jeśli ładunek punktowy znajdzie się w pobliżu innego ładunku punktowego to oddziałują one na siebie z siłą F, która można przedstawić następującą zależnością:

Gdzie:

- ładunki

r - odległość między ładunkami

- przenikalność elektryczna próżni

- przenikalność elektryczna ośrodka

Zależność ta nosi nazwę prawa Coulomba. Widać więc, że siła wzajemnego oddziaływania jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Oddziaływanie między ładunkami jest możliwe ponieważ wytwarzają one w przestrzeni wokół siebie pole elektryczne, które stanowi rodzaj pośrednika w przekazywaniu oddziaływań.

Iloraz siły F działającej na ładunek próbny q umieszczony w danym miejscu w przestrzeni i tego ładunku wyraża natężenie pola elektrycznego E.

Natężenie jest wielkością wektorową, podobnie jak siła F.

Następnie należy wprowadzić pojęcie strumienia pola elektrycznego . Strumieniem pola elektrycznego przez daną powierzchnię S nazywa się iloczyn skalarny natężenia pola elektrycznego i wektora powierzchni S.

gdzie kąt alfa to kąt między tymi dwoma wektorami.

Strumień pola elektrycznego wiąże się z prawem Gaussa dla elektryczności. Mówi ono, że całkowity strumień pola elektrycznego przez powierzchnię zamkniętą równy jest ilorazowi ładunku otoczonego przez tę powierzchnię i przenikalności elektrycznej próżni.

W przestrzeni otaczającej przewodniki z prądem oraz magnesy jest generowane pole magnetyczne. Jeżeli w takim polu znajdzie się poruszający się ładunek to będzie na niego działała siła dana równaniem:

gdzie F to siła Lorentza, q - ładunek, B - wektor indukcji magnetycznej, v - prędkość, a kąt to kąt między v i B.

Ponieważ siła ta działa na ładunki w ruchu musi więc także działać na cały przewodnik. Wiadomo bowiem, ze prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Siłą ta będzie dana równaniem:

gdzie I - natężenie prądu płynącego w przewodniku, l - długość przewodnika, elektrodynamiczna - indukcja magnetyczna, to kąt między l i B.

Linie pola magnetycznego wokół przewodnika są zamkniętymi okręgami, znajdującymi się w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika.

Zwrot wektora indukcji magnetycznej wokół przewodnika z prądem wyznacza się korzystając z tzw. reguły prawej dłoni. Należy najpierw kciuk prawej dłoni ustawić zgodnie z kierunkiem prądu i wtedy pozostałe palce lekko ugięte będą wskazywały kierunek B.

Prawem, które pozwala na znalezienie wartości pola B gdy nic nie wiadomo na temat jego symetrii jest prawo Biota - Savarta. Przewodnik z prądem dzieli się na nieskończenie małe elementy dl i od każdego takiego elementu oblicza się pole magnetyczne.

Jest to równanie wektorowe. Skalarnie natomiast można zapisać:

gdzie r to odległość między elementem dl a punktem dla którego obliczana jest wartość pola B.

Następnie sumuje się pola pochodzące od wszystkich elementów. W tym celu należy przeprowadzić operację całkowania.

Natomiast strumień pola magnetycznego przechodzący przez powierzchnię S oblicza się wykorzystując do tego prawo Gaussa dla magnetyzmu.

Ma ono następującą postać:

Ponieważ linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi tak więc strumień pola magnetycznego przez zamkniętą powierzchnie będzie równy zero.

Prawo to jest bezpośrednio związane z faktem, że w przyrodzie ni stwierdzono istnienia pojedynczych biegunów magnetycznych.

W czasie względnego ruchu źródła pola magnetycznego i obwodu zamkniętego dochodzi do powstawania w obwodzie siły elektromotorycznej. Zjawisko to nosi nazwę indukcji elektromagnetycznej, a indukowana siła siłą elektromotoryczną indukcji.

Pod wpływem tej siły elektrodynamiczna obwodzie zaczyna płynąć prąd indukcyjny. Zjawisko to spowodowane jest zmianą strumienia magnetycznego przechodzącego przez powierzchnię objętą przewodnikiem.

Kierunek prądu indukowanego można wyznaczyć z tzw. reguły Lenza. Mówi ona, że prąd indukowany ma taki kierunek, że strumień indukcji magnetycznej przez niego indukowany przeciwdziała zmianom strumienia, które wywołały ten prąd.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej opisywane jest przez prawo indukcji Faradaya. Mówi ono ,że powstawanie siły elektromotorycznej indukcji czyli SEM w obwodzie odbywa się pod wpływem pola magnetycznego w wyniku względnego ruchu obwodu i źródła pola.

Siłę elektromotoryczną można wyrazić wzorem:

Siłą elektromotoryczna jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego .

Siła elektromotoryczna może być również indukowana przez zmiany natężenia prądu płynącego w obwodzie. Wówczas zmianie ulega strumień objęty tym obwodem.

Zjawisko to nosi nazwę indukcji własnej, a indukowana siła to siła elektromotoryczna samoindukcji.

gdzie: L - współczynnik samoindukcji

I - natężenie prądu

Związek pomiędzy natężeniem prądu płynącego w obwodzie a polem magnetycznym podaje prawo Ampere'a. Graficznie zostało ono przedstawione w postaci równania:

gdzie I- natężenie prądu , to przenikalność magnetyczna próżni.

Powyższy wzór opisuje sytuację w próżni. Jednak na co dzień zazwyczaj w grę wchodzi jakiś ośrodek materialny i dlatego wzór ten należy uzupełnić o dodatkowy czynnik zwany przenikalnością magnetyczną ośrodka -.