Абстрактна електродинамика
Електродинамикатае дял от физиката, който изучава електромагнитното поле в най-общия случай (т.е. разглеждат се зависещи от времето променливи полета) и неговото взаимодействие с тела, които имат електрически заряд (електромагнитно взаимодействие). Предметът на електродинамиката включва връзката на електрическите и магнитните явления, електромагнитното излъчване (в различни условия, както свободно, така и в различни случаи на взаимодействие с материята), електрически ток (най-общо казано, променлив) и неговото взаимодействие с електромагнитно поле (електрическият ток може да се разглежда в този случай като набор от движещи се заредени частици). Всяко електрическо и магнитно взаимодействие между заредени тела се разглежда в съвременната физика като осъществявано чрез електромагнитното поле и следователно също е предмет на електродинамиката.
Най-често терминътелектродинамикасе разбира по подразбиране като класическа (не засягаща квантовите ефекти) електродинамика; за обозначаване на съвременната квантова теория на електромагнитното поле и неговото взаимодействие със заредени частици обикновено се използва стабилният термин квантова електродинамика.
1. Основни понятия
Основните концепции, върху които работи електродинамиката, включват:
- Електромагнитното поле е основният обект на изследване на електродинамиката, вид материя, която се проявява при взаимодействие със заредени тела. Исторически разделен на две полета:
- Електрическо поле - създадено от всяко заредено тяло или променливо магнитно поле, има ефект върху всяко заредено тяло.
- Магнитно поле - създадено от движещи се заредени тела, заредени тела със спин и променливиелектрически полета, влияе върху движещи се заряди и заредени тела със спин.
2. Основни уравнения
Основните уравнения, описващи поведението на електромагнитното поле и взаимодействието му със заредени тела са:
- Уравнения на Максуел, които определят поведението на свободното електромагнитно поле във вакуум и в среда, както и генерирането на полето от източници. Тези уравнения включват:
- Законът за индукция на Фарадей, който определя генерирането на електрическо поле от променливо магнитно поле.
- Теоремата за циркулацията на магнитното поле, с добавянето на токове на изместване, въведени от Максуел, дефинира генерирането на магнитно поле от движещи се заряди и променливо електрическо поле
- Теорема на Гаус за електрическо поле, която определя генерирането на електростатично поле от заряди.
- Законът за затваряне на линиите на магнитното поле.
Конкретни уравнения от особено значение са:
- Законът на Кулон, който съчетава теоремата на Гаус за електрическо поле и силата на Лоренц, и определя електростатичното взаимодействие на два точкови заряда.
- Закон на Ампер, който определя силата, действаща върху елементарен ток, поставен в магнитно поле.
- Теорема на Пойнтинг, която изразява закона за запазване на енергията в електродинамиката.
3. Съдържанието на електродинамиката
Понякога електродинамичните ефекти (за разлика от електростатиката) са онези значителни разлики между общия случай на поведение на електромагнитно поле (например динамичната връзка между променящо се електрическо и магнитно поле) и статичния случай, което прави специалния статичен случай много по-лесен за описване, разбиране и изчисляване.
4. Раздели на електродинамиката
- Електростатиката описва свойствата на статично (което не се променя с времето или се променя достатъчно бавно, така че "електродинамичните ефекти" в смисъла, описан по-горе, могат да бъдат пренебрегнати) електрическо поле и неговото взаимодействие с електрически заредени тела (електрически заряди).
- Магнитостатиката изучава постоянните токове и постоянните магнитни полета (полетата не се променят с времето или се променят толкова бавно, че скоростта на тези промени при изчислението може да бъде пренебрегната), както и тяхното взаимодействие.
- Електродинамиката на непрекъснатите среди разглежда поведението на електромагнитните полета в непрекъснати среди.
- Релативистката електродинамика разглежда електромагнитните полета в движещи се среди.
5. Приложна стойност
Електродинамиката е в основата на физическата оптика, физиката на разпространението на радиовълните,и също така прониква в почти цялата физика, тъй като в почти всички клонове на физиката човек трябва да се занимава с електрически полета и заряди, а често и с техните нетривиални бързи промени и движения. В допълнение, електродинамиката е примерна физическа теория (както в класическата, така и в квантовата си версия), съчетаваща много висока точност на изчисленията и прогнозите с влиянието на теоретичните идеи, родени в тази област, върху други области на теоретичната физика.
Електродинамиката е от голямо значение в техниката и е в основата на: радиотехниката, електротехниката, различни отрасли на комуникациите и радиото.
Първото доказателство за връзката между електрическите и магнитните явления е експерименталното откритие от Ерстед през 1819-1820 г. за генерирането на магнитно поле от електрически ток. Той също така изрази идеята за някакво взаимодействие на електрически и магнитни процеси в пространството около проводника, но в доста неясна форма.
През 1831 г. Майкъл Фарадей експериментално открива явлението и закона за електромагнитната индукция, което става първото ясно доказателство за пряката динамична връзка между електрическите и магнитните полета. Той също така разработи (приложено към електрическите и магнитните полета) основите на концепцията за физическото поле и някои основни теоретични концепции, които позволяват да се опишат физическите полета, а също така през 1832 г. предсказа съществуването на електромагнитни вълни.
През 1895 г. Лоренц завършва изграждането на класическата електродинамика, като описва взаимодействието на електромагнитно поле с (движещи се) точкови заредени частици.
В средата на 20 век се създава квантовата електродинамика – една от най-точните физични теории.