Elektrodinamika

Klasični elektromagnetizam ili klasična elektrodinamika je grana teorijske fizike koja proučava interakcije između električnih naboja i struja koristeći proširenje klasičnog Newtonovog modela; To je, dakle, klasična teorija polja. Teorija daje opis elektromagnetnih pojava kad god su relevantne skale dužine i jačine polja dovoljno velike da su kvantno-mehanički efekti zanemarljivi. Za male udaljenosti i male jačine polja, takve interakcije bolje opisuje kvantna elektrodinamika, što je kvantna teorija polja.

Fundamentalni fizički aspekti klasične elektrodinamike predstavljeni su u mnogim tekstovima, kao što su oni Richarda Feynmana, Roberta B. Leightona i Matthewa Sandsa,^[1] Davida J. Griffithsa,^[2] Wolfganga Panofskyja i Melbe Phillipsa,^[3] i Johna Jacksona.^[4]

Historija

Fizičke pojave koje opisuje elektromagnetizam proučavane su kao posebna polja još od antike. Na primjer, bilo je mnogo napretka u oblasti optike stoljećima prije nego što je svjetlost shvaćena kao elektromagnetski talas. Međutim, teorija elektromagnetizma, kako se trenutno razumije, izrasla je iz eksperimenata Michaela Faradaya koji sugeriraju postojanje elektromagnetnog polja i upotrebe diferencijalnih jednačina Jamesa Clerka Maxwella da ga opiše u svojoj Raspravi o elektricitetu i magnetizmu (1873). Razvoj elektromagnetizma u Evropi uključivao je razvoj metoda za mjerenje napona, struje, kapacitivnosti i otpora. Detaljne historijske izvještaje dali su Wolfgang Pauli,^[5] ET Whittaker,^[6] Abraham Pais,^[7] i Bruce Hunt.^[8]

Elektromagnetski talasi

Promjenjivo elektromagnetno polje širi se od svog porijekla u obliku talasa. Ovi talasi putuju u vakuumu brzinom svetlosti i postoje u širokom spektru talasnih dužina. Primjeri dinamičkih polja elektromagnetnog zračenja (navedeni u redu povećanja frekvencije): radio talasi, mikrotalasi, svjetlost (infracrvena, vidljiva svjetlost i ultraljubičasta), rendgenski i gama zraci. U polju fizike čestica, ovo elektromagnetno zračenje je manifestacija elektromagnetne interakcije između nabijenih čestica.

Opće jednačine polja

Koliko god Coulombova jednačina bila jednostavna i zadovoljavajuća, ona nije sasvim tačna u kontekstu klasičnog elektromagnetizma. Problemi nastaju jer promjene u distribuciji naboja zahtijevaju vrijeme različitu od nule da bi se "osjetilo" negdje drugdje (zahtjeva specijalna teorija relativnosti).

Za polja opštih distribucija naelektrisanja, retardirani (nazivaju se još i usporeni) potencijali se mogu izračunati i diferencirati u skladu sa tim da bi se dobile Jefimenkove jednačine.

Usporeni potencijali se također mogu izvesti za tačkasta naelektrisanja, a jednačine su poznate kao Liénard-Wiechert potencijali. Skalarni potencijal je:

$\varphi ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{q}(t_{\rm {ret}})\right|-{\frac {\mathbf {v} _{q}(t_{\rm {ret}})}{c}}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{q}(t_{\rm {ret}}))}}$

gdje je q naboj tačkastog naboja, a r pozicija. r_q i v_q su položaj i brzina naelektrisanja, respektivno, kao funkcija retardiranog (zakašnjelog) vremena. Potencijal vektora je sličan:

$\mathbf {A} ={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {q\mathbf {v} _{q}(t_{\rm {ret}})}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{q}(t_{\rm {ret}})\right|-{\frac {\mathbf {v} _{q}(t_{\rm {ret}})}{c}}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{q}(t_{\rm {ret}}))}}.$

Oni se zatim mogu u skladu s tim diferencirati kako bi se dobile potpune jednadžbe polja za česticu koja se kreće.

Modeli

Grane klasičnog elektromagnetizma kao što su optika, elektrotehnika i elektronika sastoje se od zbirke relevantnih matematičkih modela različitih stupnjeva pojednostavljenja i idealizacije kako bi se poboljšalo razumijevanje specifičnih elektrodinamičkih pojava.^[9] Fenomen elektrodinamike određen je određenim poljima, specifičnim gustoćama električnih naboja i struja, te određenim prijenosnim medijem. Kako ih ima beskonačno mnogo, u modelarstvu postoji potreba za nekim tipičnim, reprezentativcem

(a) električna naelektrisanja i struje, npr. pokretna tačkasta naelektrisanja i električni i magnetni dipoli, električne struje u provodniku itd.;

(b) elektromagnetna polja, npr. naponi, Liénard-Wiechert potencijali, monohromatski ravni talasi, optički zraci; radio talasi, mikrotalasi, infracrveno zračenje, vidljiva svetlost, ultraljubičasto zračenje, rendgenski zraci, gama zraci itd.;

(c) prenosni mediji, npr. elektronske komponente, antene, elektromagnetni talasovodi, ravna ogledala, ogledala sa zakrivljenim površinama, konveksna sočiva, konkavna sočiva; Otpornici, induktori, kondenzatori, prekidači; žice, električni i optički kablovi, dalekovodi, integrisana kola itd.; od kojih svi imaju samo nekoliko varijabilnih karakteristika.

Također pogledajte

Reference

^ Feynman, R. P., R .B. Leighton, and M. Sands, 1965, The Feynman Lectures on Physics, Vol. II: the Electromagnetic Field, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts
^ Griffiths, David J. (2013). Introduction to Electrodynamics (4th izd.). Boston, Mas.: Pearson. ISBN 978-0321856562.
^ Panofsky, W. K., and M. Phillips, 1969, Classical Electricity and Magnetism, 2nd edition, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts
^ Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd izd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.
^ Pauli, W., 1958, Theory of Relativity, Pergamon, London
^ Whittaker, E. T., 1960, History of the Theories of the Aether and Electricity, Harper Torchbooks, New York.
^ Pais, A., 1983, Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press, Oxford
^ Bruce J. Hunt (1991) The Maxwellians
^ Peierls, Rudolf. Model-making in physics, Contemporary Physics, Volume 21 (1), January 1980, 3-17.

[1] Feynman, R. P., R .B. Leighton, and M. Sands, 1965, The Feynman Lectures on Physics, Vol. II: the Electromagnetic Field, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts

[2] Griffiths, David J. (2013). Introduction to Electrodynamics (4th izd.). Boston, Mas.: Pearson. ISBN 978-0321856562.

[3] Panofsky, W. K., and M. Phillips, 1969, Classical Electricity and Magnetism, 2nd edition, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts

[Jack-4] Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd izd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.

[5] Pauli, W., 1958, Theory of Relativity, Pergamon, London

[6] Whittaker, E. T., 1960, History of the Theories of the Aether and Electricity, Harper Torchbooks, New York.

[7] Pais, A., 1983, Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press, Oxford

[8] Bruce J. Hunt (1991) The Maxwellians

[9] Peierls, Rudolf. Model-making in physics, Contemporary Physics, Volume 21 (1), January 1980, 3-17.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]