Електродинамика

Серия статии на тема
Класическа електродинамика
Електричество Магнетизъм Електромагнетизъм
Електростатика Закон на Кулон Теорема на Гаус Електрически дипол Електрически заряд Интензитет на електрическото поле Електрично поле Електричен потенциал Електрет
Магнитостатика Магнит Магнитно поле Дипол Магнитен поток Магнитна индукция Интензитет на магнитното поле Магнитна проницаемост Магнитна възприемчивост Магнитен момент Намагнитване Феромагнетизъм Диамагнетизъм Парамагнетизъм Суперпарамагнетизъм Антиферомагнетизъм Феримагнетизъм Магнитна левитация Закон на Био-Савар Закон на Ампер
Електродинамика Електромагнитно поле Електромагнитна индукция Електромагнитно излъчване Дипол Сила на Лоренц Уравнения на Максуел Електромагнитен 4-потенциал Електричен потенциал Магнитен векторен потенциал Вълново уравнение Закъсняващ потенциал Оператор на Д'Аламбер Електрически диполен момент Електромагнит Ефект на Майснер
Електрическа верига Електрически ток Електрическо напрежение Волт-амперна характеристика Електрическо съпротивление Индуктивност Електрически капацитет Електрическа проводимост Електрически импеданс Закон на Ом Закони на Кирхоф Закон на Джаул-Ленц
Известни учени Хенри Кавендиш Майкъл Фарадей Андре-Мари Ампер Густав Кирхоф Джеймс Кларк Максуел Хайнрих Херц Алберт Абрахам Майкелсън Робърт Миликан Георг Ом Луи Неел

Електродинамиката (и като класическа електродинамика) е дял от теоретичната физика.

Занимава се с влиянието на електромагнитното поле върху динамичното поведение на заредени частици. В зависимост от условията, в които се намират разглежданите тела, се разделя на класическа електродинамика и квантова електродинамика.

Основни величини

въздействие на ел.поле на заряд Q спрямо:	затворен контур C	Затворена повърхнина S	Заряд Q	Затворена повърхнина S	затворен контур C
Изменение във времето	E	$\mathbf {\Phi e}$	Q
${{d} \over {dt}}$	${{dE} \over {dt}}$	${{d\Phi e} \over {dt}}$	$i={{dQ} \over {dt}}$	$\mathbf {\Phi m}$	B
${{d^{2}} \over {dt^{2}}}$	${{d^{2}E} \over {dt^{2}}}$	${{d^{2}\Phi e} \over {dt^{2}}}$	${{di} \over {dt}}$	${{d\mathbf {\Phi m} } \over {dt}}$	${dB} \over {dt}$

Основни зависимости

Наименование	Диференциална Форма	Интегрална форма
Закон на Гаус относно поток на електрическата индукция	$\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho$	$\oint _{S}\mathbf {D} \cdot d\mathbf {A} =\int _{V}\rho \cdot dV$
Закон на Гаус относно поток на магнитната индукция	$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$	$\oint _{S}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} =0$
Закон на Фарадей: за промяна на магнитната индукция	$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$	$\oint _{C}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} =-\ {d \over dt}\int _{S}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A}$
Закон на Ампер (в разширения от Максуел вариант):	$\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}$	$\oint _{C}\mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} =\int _{S}\mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} +{d \over dt}\int _{S}\mathbf {D} \cdot d\mathbf {A}$

1. ( Гаус) Потокът на електрическото поле през затворена повърхност е равен на заградените свободни заряди разделени на енектрическата проницаемост на средата:

$\mathbf {\Phi e} =\oint _{S}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} ={Q \over {\epsilon _{0}}}$

Диференциален вид:

$\nabla \cdot \mathbf {E} ={{\rho } \over {\varepsilon _{0}}}=2\pi k.\rho$

2. ( Гаус) Потокът на магнитната индукция през затворена повърхност е равен на 0.

$\mathbf {\Phi m} =\oint _{S}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} =0$

Диференциален вид: $\nabla \cdot \mathbf {B} =0$

3. (Фарадей) Електродвижещото напрежение по затворен контур е равно на промяната на магнитната индукция през заградената от този контур площ със знак минус:

$\varepsilon =\oint _{s}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} =-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}$ където: $\Phi _{\mathbf {B} }=\int _{A}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A}$

Φ_B магнитен поток през областта с площ А.

Диференциална форма:

$\nabla \times \mathbf {E} =-\partial B/\partial t$

4. ( Ампер/ Максуел)

$\oint _{C}\mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} =I+I_{d}$

Максуел полага че: $I_{d}=\epsilon _{0}{{d\Phi e} \over {dt}}$ имащ смисъл на ток, протичащ през останалата част от затворената повърхност извън областта С.

$\oint _{C}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {l} =\mu _{0}.(I+I_{d})=\mu _{0}.I+\mu _{0}\epsilon _{0}{{d\Phi e} \over {dt}}$

Диференциална форма:

$\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}$

или:

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}.\mathbf {J} +\mu _{0}.\varepsilon _{0}.{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$

Единици

Символ	Значение	Измерителна единица в SI
$\mathbf {E}$	електрическо поле (Интензитет)	V/m волт на метър
$\mathbf {H}$	Интензитет на магнитното поле наричано още спомагателно поле	A/m ампер на метър
$\mathbf {D}$	Електрическа Индукция (плътност на електрическия поток)	$C/m^{2}$ кулон на метър квадратен
$\mathbf {B}$	Магнитна индукция наричана също плътност на магнитния поток или магнитно поле	T или $Wb/m^{2}$или $N \over {A.m}$ тесла или вебер на квадратен метър или Нютон/Ампер.метър
$\ \rho \$	плътност на свободните електрически заряди не се включват свързаните диполни двойки	$C/m^{3}$ кулон на метър кубичен
$\mathbf {J}$	плътност на електрическия ток не включва поляризационните токове и токовете на намагнитване в средата	$A/m^{2}$ ампер на метър квадратен
$d\mathbf {A}$	диференциален вектор, равен по дължина на площтта на пренебрежимо малка област, с посока по нормалата към повърхността на тази област	$m^{2}$ метър квадратен
$dV\$	диференциален елемент от обема V заграден от повърхност S	$m^{3}$ метър кубичен
$d\mathbf {l}$	диференциален вектор на елемента от пътя, с посока по тангентата към затворен контур C заграждащ площ S	m метър
$\nabla \cdot$	оператор дивергенция	1/m на метър
$\nabla \times$	ротация или завихряне	1/m на метър

История

През 1733 г. Ш. Дюфе установява, че електрично натоварените с едноименен товар тела се отблъскват а с разноименен се привличат. Товарът на наелектризирана стъклена пръчка условно е наречен положителен, а този на направена от янтар пръчка - отрицателен. През 1897 г. англичанинът Дж. Дж. Томсън открива електрично натоварена частица. Оказва се, че товарът й е едноименен с този на янтарната пръчка и частицата е наречена електрон - гръцкото наименование на янтара. Експериментално е установено, че големината на електричния товар се изменя на порции, а не непрекъснато. Големината на всяка порция се оказва кратна на товара на електрона. Ето защо той е приет за елементарен електричен товар - най-малкото самостоятелно съществуващо количество електричество, което досега е наблюдавано експериментално.

Важен раздел на електродинамиката е електростатиката. Тази наука изучава електричните сили между неподвижни товари. През 1785 г. Ш. Кулон със специално направена везна (наречена торзионна) измерва силата на взаимодействието (F) между неподвижни точкови електрични товари (q₁) и (q₂), които се намират на известно разстояние (r) един от друг, и открива закона (закон на Кулон) за взаимодействие между тях:

F = k × (q₁ × q₂) / r²

където k е коефициент, зависещ от измервателната система.

Когато електричните товари се движат, те пренасят електричество. Процесът на пренасяне на електричество се нарича протичане на електричен ток. през 1826 г. Г. Ом показва, че големината не електричен ток (I) в една електрична верига е правопропорционална на създаващото тока напрежение (U) и обратно пропорционална на съпротивлението (R) (закон на Ом): I=U/R

Когато през 1820 г. Х. Оерщед за първи път наблюдава, че в момента на пускане на електричен ток през жица стоящата наблизо магнитна стрелка се отклонява, става ясно, че движещите се в жицата електрични товари създават магнитно поле, което действа върху стрелката. През 1831 г. М. Фарадей открива че и магнитното поле от своя страна действа върху движещите се електрични товари - той бързо премества проводник между полюсите на магнити и в резултат в проводника възниква електричен ток. През 1865 г. Дж. Максуел показва теоретично, че електричното и магнитното поле не съществуват независимо едно от друго, а са проява на едно поле - електромагнитното. Когато това поле е наблюдавано експериментално от Х. Херц през 1886 г. във вид на електромагнитни вълни (радиовълни), потвърждава се и теоретичното предположение на Максуел, че то трябва да се разпространява със скорост, равна на скоростта на светлината (300 000 km/c във вакуум). Днес знаем, че светлината, радиовълните, рентгеновите лъчи са проява на електромагнитното поле. За да може да предава взаимодействието между електричните товари, това поле трябва да бъде материално. Електромагнитното поле се състои от частици, наречени кванти, или фотони. Тези частици се излъчват от електрично натоварена частица, разпространяват със скоростта на светлината и когато достигнат друго тяло, което електрично натоварено, взаимодействат с него. Всеки фотон се характеризира преди всичко с енергията, която носи: фотоните на светлината имат по-голяма енергия от фотоните на радиовълните и по-малка от тази на рентгеновите лъчи. От своя страна, фотоните на светлината, които нашето зрение възприема като сини, жълти, червени, също се различават по енергия (най-малка е енергията на червените и най-голяма - на виолетовите фотони).

Днес законите на електродинамиката помагат да се решават различни задачи, свързани с движението на електрично натоварени частици в различни по форма и големина електромагнитни полета. В електронния микроскоп например, се исползват системи от електрични и магнитни полета, като наречени лещи. Те управляват движението на електроните, като създават увеличеното до един милион пъти изображение на изследвания обект. В устройствата, с които учените днес правят опити за осъществяване на управляеми термоядрени реакции, веществото е нагрято до милиони градуси и се намира в състояние на плазма, в която атомите са разпадната на йони и електрони. Тази плазма не може да се държи в съдове, защото не съществува материал, който да издържи дори и много по-низка температура. Тъй като плазмата се състои от електрично натоварени частици, в съответствие със законите на електродинамиката тя се удържа в малк обем (като в съд) с помощта на електрични и магнитни полета.

• Портал „Физика“