Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday , 22 сентября 1791, Лондон - 25 августа 1867, Лондон) - английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского
королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.
Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца - Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца), ввёл понятие о «местном времени», получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца). Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.
Он также предсказал «квантовую телепортацию», предсказал и измерил гиромагнитный эффект Эйнштейна - де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Активно выступал против войны, против применения ядерного оружия, за гуманизм, уважение прав человека, взаимопонимание между народами.
Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики.
План:
-
Введение
- 1 Основные понятия
- 2 Основные уравнения
- 3 Содержание электродинамики
- 4 Разделы электродинамики
- 5 Прикладное значение
- 6 История
Введение
Электродина́мика - раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.
Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимается классическая (не затрагивающая квантовых эффектов) электродинамика; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.
1. Основные понятия
Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:
- Электромагнитное поле - это основной предмет изучения электродинамики, вид материи, проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. Исторически разделяется на два поля:
- Электрическое поле - создаётся любым заряженным телом или переменным магнитным полем, оказывает воздействие на любое заряженное тело.
- Магнитное поле - создаётся движущимися заряженными телами, заряженными телами, имеющими спин, и переменными электрическими полями, оказывает воздействие на движущиеся заряды и заряженные тела, имеющие спин.
- Электрический заряд - это свойство тел, позволяющее им создавать электромагнитные поля, а также взаимодействовать с этими полями.
- Электромагнитный потенциал - 4-векторная физическая величина, полностью определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве. Выделяют:
- Электростатический потенциал - временна́я компонента 4-вектора
- Векторный потенциал - трёхмерный вектор, образованный оставшимися компонентами 4-вектора.
- Вектор Пойнтинга - векторная физическая величина, имеющая смысл плотности потока энергии электромагнитного поля.
2. Основные уравнения
Основными уравнениями, описывающими поведение электромагнитного поля и его взаимодействие с заряженными телами являются:
- Уравнения Максвелла, определяющие поведение свободного электромагнитного поля в вакууме и среде, а также генерацию поля источниками. Среди этих уравнений можно выделить:
- Закон индукции Фарадея, определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным полем.
- Теорема о циркуляции магнитного поля с добавлением токов смещения, введённых Максвеллом, определяет генерацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным электрическим полем
- Теорема Гаусса для электрического поля, определяющая генерацию электростатического поля зарядами.
- Закон замкнутости силовых линий магнитного поля.
- Выражение для силы Лоренца, определяющее силу, действующую на заряд, находящийся в электромагнитном поле.
- Закон Джоуля - Ленца, определяющий величину тепловых потерь в проводящей среде с конечной проводимостью, при наличии в ней электрического поля.
Частными уравнениями, имеющими особое значение являются:
- Закон Кулона, совмещающий теорему Гаусса для электрического поля и силу Лоренца, и определяющий электростатическое взаимодействие двух точечных зарядов.
- Закон Ампера, определяющий силу, действующую на элементарный ток, помещённый в магнитное поле.
- Теорема Пойнтинга, выражающая собой закон сохранения энергии в электродинамике.
3. Содержание электродинамики
Основным содержанием классической электродинамики является описание свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными телами (заряженные тела «порождают» электромагнитное поле, являются его «источниками», а электромагнитное поле в свою очередь действует на заряженные тела, создавая электромагнитные силы). Это описание, кроме определения основных объектов и величин, таких как электрический заряд, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитный потенциал, сводится к уравнениям Максвелла в той или иной форме и формуле силы Лоренца, а также затрагивает некоторые смежные вопросы (относящиеся к математической физике, приложениям, вспомогательным величинам и вспомогательным формулам, важным для приложений, как например вектор плотности тока или эмпирический закона Ома). Также это описание включает вопросы сохранения и переноса энергии, импульса, момента импульса электромагнитным полем, включая формулы для плотности энергии, вектора Пойнтинга и т. п.
Иногда под электродинамическими эффектами (в противоположность электростатике) понимают те существенные отличия общего случая поведения электромагнитного поля (например, динамическую взаимосвязь между меняющимися электрическим и магнитным полем) от статического случая, которые делают частный статический случай гораздо более простым для описания, понимания и расчётов.
4. Разделы электродинамики
- Электростатика описывает свойства статического (не меняющегося со временем или меняющегося достаточно медленно, чтобы «электродинамическими эффектами» в описанном выше смысле можно было пренебречь) электрического поля и его взаимодействия с электрически заряженными телами (электрическими зарядами).
- Магнитостатика исследует постоянные токи и постоянные магнитные поля (поля не меняются во времени или меняются настолько медленно, что быстротой этих изменений в расчёте можно пренебречь), а также их взаимодействие.
- Электродинамика сплошных сред рассматривает поведение электромагнитных полей в сплошных средах.
- Релятивистская электродинамика рассматривает электромагнитные поля в движущихся средах.
5. Прикладное значение
Электродинамика лежит в основе физической оптики, физики распространения радиоволн, а также пронизывает практически всю физику, так как почти во всех разделах физики приходится иметь дело с электрическими полями и зарядами, а часто и с их нетривиальными быстрыми изменениями и движениями. Кроме того, электродинамика является образцовой физической теорией (и в классическом и в квантовом своём варианте), сочетающей очень большую точность расчётов и предсказаний с влиянием теоретических идей, родившихся в её области, на другие области теоретической физики.
Электродинамика имеет огромное значение в технике и лежит в основе: радиотехники, электротехники, различных отраслей связи и радио.
6. История
Первым доказательством связи электрических и магнитных явлений стало экспериментальное открытие Эрстедом в 1819-1820 порождения магнитного поля электрическим током. Он же высказал идею о некотором взаимодействии электрических и магнитных процессов в пространстве, окружающем проводник, однако в довольно неясной форме.
В 1831 году Майкл Фарадей экспериментально открыл явление и закон электромагнитной индукции, ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Он же разработал (применительно к электрическому и магнитному полям) основы концепции физического поля и некоторые базисные теоретические представления, позволяющие описывать физические поля, а также 1832 году предсказал существование электромагнитных волн.
В 1864 году Дж. К. Максвелл впервые опубликовал полную систему уравнений «классической электродинамики», описывающую эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Высказал теоретически обоснованное предположение о том, что свет является электромагнитной волной, т.е. объектом электродинамики.
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.
Электромагнитное поле - определяется движением и взаимодействием заряженных частиц.
Проявление эл/магнитного поля
- это действие эл/магнитных сил:
1) силы трения и силы упругости в макромире;
2) действие эл/магнитных сил в микромире (строение атома, сцепление атомов в молекулы,
превращение элементарных частиц)
Открытие эл/магнитного поля - Дж. Максвелл.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.
Элементарные частицы
могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;
- взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами,
но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется
электромагнитным).
Эл. заряд
- физич. величина, определяет интенсивность эл/магнитных взаимодействий.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.
Элементарный заряд
- минимальный заряд, разделить который невозможно.
Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе?
- в состав всех тел входят заряженные частицы.
В обычном состоянии тела эл. нейтральны (т.к. атом нейтрален), и эл/магн. силы не проявляются.
Тело заряжено
, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.
Электризация тел
- это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).
При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.
Закон сохранения электрического заряда.
В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
(... но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).
Замкнутая система
Система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.
Закон Кулона
Основной закон электростатики.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна
произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Когдатела считаются точечными
? - если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.
Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.
Единица электрического заряда
1 Кл - заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
1 Кл - очень большой заряд.
Элементарный заряд:
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Существует вокруг электрического заряда, материально.
Основное свойство электрического поля: действие с силой на эл.заряд, внесенный в него.
Электростатическое поле - поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем.
Напряженность электрического поля.
- количественная характеристика эл. поля.
- это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда.
- не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!
Направление вектора напряженности
совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
Напряженность поля точечного заряда:
где q0 - заряд, создающий электрическое поле.
В любой точке поля напряженность направлена всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и q0.
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ
Характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.
- не зависит от q и U.
- зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.
Единицы измерения в СИ: (Ф - фарад)
КОНДЕНСАТОРЫ
Электротехническое устройство, накапливающее заряд
(два проводника, разделенных слоем диэлектрика).
Где d много меньше размеров проводника.
Обозначение на электрических схемах:
Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.
Виды конденсаторов:
1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические
2. по форме обкладок: плоские, сферические.
3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).
Электроемкость плоского конденсатора
где S - площадь пластины (обкладки) конденсатора
d - расстояние между пластинами
eо - электрическая постоянная
e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика
Включение конденсаторов в электрическую цепь
параллельное
последовательное
Тогда общая электроемкость (С):
при параллельном включении
. 
при последовательном включении
АКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрический ток
- упорядоченное движение заряженных частиц (свободных электронов или ионов).
При этом через поперечное сечение проводника перносится эл. заряд (при тепловом движении заряженных частиц суммарный перенесенный эл. зпряд = 0, т.к. положительные и отрицательные заряды компенсируются).
Направление эл. тока - условно принято считать направление движения положительно заряженных частиц (от + к -).
Действия эл. тока (в проводнике):
тепловое действие тока - нагревание проводника (кроме сверхпроводников);
химическое действие тока - проявляется только у электролитов, На электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита;
магнитное действие тока (основное) - наблюдается у всех проводников (отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током и силовое действие тока на соседние проводники посредством магнитного поля).
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
где , R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи).
Для каждого проводника существует своя определенная вольт-амперная характеристика.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
Основная электрическая характеристика проводника.
- по закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.
1 Ом - это сопротивление проводника с разностью потенциалов на его концах
в 1 В и силой тока в нем 1 А.
Сопротивление зависит только от свойств проводника:
где S - площадь поперечного сечения проводника, l - длина проводника,
ро - удельное сопротивление, характеризующее свойства вещества проводника.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Состоят из источника, потребителя электрического тока, проводов, выключателя.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
I - сила тока в цепи
U - напряжение на концах участка цепи
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
I - сила тока в неразветвленном участке цепи
U - напряжение на концах участка цепи
R - полное сопротивление участка цепи
Вспомни, как подключаются измерительные приборы:
Амперметр - включается последовательно с проводником, в котором измеряется сила тока.
Вольтметр - подключается параллельно проводнику, на котором измеряется напряжение.
АБОТА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.
Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:
По закону сохранения энергии:
Работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.
В системе СИ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.
В системе СИ:
Явление сверхпроводимости
Открытие низкотемпературной сверхпроводимости:
1911г. - голландский ученый Камерлинг - Оннес
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;
при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.
В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости:
Купер (США), Боголюбов (СССР)
1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.
В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества
Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.
В настоящий момент в энергетикесуществует большая проблема
- большие потери электроэнергии при передаче
ее по проводам.
Возможное решение
проблемы:
при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0
и потери энергии резко уменьшаются.
Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости
В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди – Тl2Са2Ва2Сu3Оx.
Полупроводник -
Вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Механизм проводимости у полупроводников
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
Что такое вакуум?
- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;
Электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия
- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.
Вакуумный диод
Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.
Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление
Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.
Вольтамперная характеристика вакуумного диода.
При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.
Ток на входе диодного выпрямителя:
Ток на выходе выпрямителя:
Электронные пучки
Это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
Отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров);
- нагревают вещество, попадая на него.
Электронно - лучевая трубка (ЭЛТ)
Используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих
пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).
Основное применение ЭЛТ:
кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.
Ионизация газа
Это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.
Газовый разряд
Это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.
Рекомбинация заряженных частиц
- газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).
Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.
Несамостоятельный газовый разряд
Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд.
Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.
Самостоятельный газовый разряд
В этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.
Электрический пробой газа
Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.
Самостоятельный газовый разряд бывает4-х типов:
1. тлеющий - при низких давлениях(до нескольких мм рт.ст.) -наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах.
2. искровой - при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).
3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие).
4. дуговой - большая плотность тока, малое напряжение между электродами (температура газа в канале дуги -5000-6000 градусов Цельсия); наблюдается в прожекторах, проекционной киноаппаратуре.
Эти разряды наблюдаются:
тлеющий - в лампах дневного света;
искровой - в молниях;
коронный - в электрофильтрах, при утечке энергии;
дуговой - при сварке, в ртутных лампах.
Плазма
Это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера - слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма - в газоразрядных лампах.
Плазма бывает:
Низкотемпературная - при температурах меньше 100 000К;
высокотемпературная - при температурах больше 100 000К.
Основные свойства плазмы:
Высокая электропроводность
- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.
При температуре
любое вещество находится в состоянии плазмы.
Интересно, что 99% вещества во Вселенной - плазма
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ
Определение 1
Электродинамика – это огромная и важная область физики, в которой исследуются классические, неквантовые свойства электромагнитного поля и движения положительно заряженных магнитных зарядов, взаимодействующих друг с другом с помощью этого поля.
Рисунок 1. Коротко про электродинамику. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Электродинамика представляется широким комплексом разнообразных постановок задач и их грамотных решений, приближенных способов и частных случаев, которые объединены в одно целое общими начальными законами и уравнениями. Последние, составляя основную часть классической электродинамики, подробно представлены в формулах Максвелла. В настоящее время ученые продолжают изучать принципы указанной области в физике, скелет ее построения взаимоотношения с другими научными направлениями.
Закон Кулона в электродинамике обозначается таким образом: $F= \frac {kq1q2} {r2}$, где $k= \frac {9 \cdot 10 (H \cdot m)} {Кл}$. Уравнение напряженности электрического поля записывается так: $E= \frac {F}{q}$, а поток вектора индукции магнитного поля $∆Ф=В∆S \cos {a}$.
В электродинамике в первую очередь изучаются свободные заряды и системы зарядов, которые содействуют активизации непрерывного энергетического спектра. Классическому описанию электромагнитного взаимодействия благоприятствует то, что оно является эффективным уже в низкоэнергетическом пределе, когда энергетический потенциал частиц и фотонов мал по сравнению с энергией покоя электрона.
В таких ситуациях зачастую отсутствует аннигиляция заряженных частиц, так как присутствует только постепенное изменение состояния их нестабильного движения в итоге обмена большим количеством низкоэнергетических фотонов.
Замечание 1
Однако и при высоких энергиях частиц в среде, несмотря на существенную роль флуктуации, электродинамика может быть использована с успехом для комплексного описания среднестатистических, макроскопических характеристик и процессов.
Основные уравнения электродинамики
Основными формулами, которые описывают поведение электромагнитного поля и его прямое взаимодействие с заряженными телами, являются уравнения Максвелла, определяющие вероятные действия свободного электромагнитного поля в среде и вакууме, а также общую генерацию поля источниками.
Среди этих положений в физике возможно выделить:
- теорема Гаусса для электрического поля - предназначена для определения генерации электростатического поля положительными зарядами;
- гипотеза замкнутости силовых линий – содействует взаимодействию процессов внутри самого магнитного поля;
- закон индукции Фарадея – устанавливает генерацию электрического и магнитного поля переменными свойствами окружающей среды.
В целом, теорема Ампера - Максвелла - это уникальная идея о циркуляции линий в магнитном поле с постепенным добавлением токов смещения, введенных самим Максвеллом, точно определяет трансформацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным действием электрического поля.
Заряд и сила в электродинамике
В электродинамике взаимодействие силы и заряда электромагнитного поля исходит из следующего совместного определения электрического заряда $q$, энергии $E$ и магнитного $B$ полей, которые утверждаются в качестве основополагающего физического закона, основанного на всей совокупности экспериментальных данных. Формулу для силы Лоренца (в пределах идеализации точечного заряда, движущегося с определенной скоростью), записывают с заменой скорости $v$.
В проводниках зачастую содержится огромное количество зарядов, следовательно, эти заряды достаточно хорошо скомпенсированы: число положительных и отрицательных зарядов всегда равны между собой. Следовательно, суммарная электрическая сила, которая постоянно действует на проводник, равна также нулю. Магнитные же силы, функционирующие на отдельных зарядов в проводнике, в итоге не компенсируются, ведь при наличии тока скорости движения зарядов всегда различны. Уравнение действия проводника с током в магнитном поле можно записать так: $G = |v ⃗ |s \cos{a} $
Если исследовать не жидкость, а полноценный и стабильный поток заряженных частиц в качестве тока, то весь энергетический потенциал, проходящий линейно через площадку за $1с$,- и будет являться силой тока, равной: $I = ρ| \vec {v} |s \cos{a} $, где $ρ$ - плотность заряда (в единице объема в общем потоке).
Замечание 2
Если магнитное и электрическое поле систематически меняется от точки к точке на конкретной площадке, то в выражениях и формулах для частичных потоков, как и в случае с жидкостью, в обязательном порядке проставляются средние показатели $E ⃗ $и $B ⃗$ на площадке.
Особое положение электродинамике в физике
Значимое положение электродинамики в современной науке возможно подтвердить посредством известного произведения А. Эйнштейна, в котором были детально изложены принципы и основы специальной теории относительности. Научный труд выдающегося ученого называется «К электродинамике подвижных тел», и включает в себя огромное количество важных уравнений и определений.
Как отдельная область физики электродинамика состоит из таких разделов:
- учение о поле неподвижных, но электрически заряженных физических тел и частиц;
- учение о свойствах электрического тока;
- учение о взаимодействии магнитного поля и электромагнитной индукции;
- учение об электромагнитных волнах и колебаниях.
Все вышеуказанные разделы в одно целое объединяет теорема Д. Максвелла, который не только создал и представил стройную теорию электромагнитного поля, но и описал все его свойства, доказав его реальное существование. Работа именно этого ученого показала научному миру, что известные на тот момент электрическое и магнитное поля являются всего лишь проявлением единого электромагнитного поля, функционирующего в различных системах отсчета.
Существенная часть физики посвящена изучению электродинамики и электромагнитных явлений . Эта область в значительной мере претендует на статус отдельной науки, так как она не только исследует все закономерности электромагнитных взаимодействий, но и детально описывает их посредством математических формул. Глубокие и многолетние исследования электродинамики открыли новые пути для использования электромагнитных явлений на практике, для блага всего человечества.
Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, изучающие основные переменные электромагнитного поля, и их взаимодействие.
Классическая электродинамика описывает все свойства электромагнитного поля и принципы его взаимосвязи с другими физическими элементами, которые несут определенный электрический заряд. Это действие можно определить посредством уравнений Максвелла, и выражения мощности Лоренца. При этом всегда применяются такие главные понятия электродинамики как: электромагнитное поле, электромагнитный потенциал, электрический заряд и вектор Пойнтинга.
К основным разделам указанного направления в физике относят:
- магнитостатику;
- электростатику;
- электродинамику сплошной среды.
Основой для оптики, как раздела науки, выступает электродинамика в виде физики радиоволн. Это научное направление считается фундаментом для электротехники и радиотехники.
Электрический заряд
Электромагнитные взаимосвязи относятся к числу самых важных действий в природе. Силы их упругости и трения, давление газа и жидкости можно свести к единому показателю электромагнитной силы между элементами вещества. Сами взаимодействия в электродинамике уже не могут образоваться в более глубоких формах взаимодействий.
Замечание 1
Таким же фундаментальным видом взаимодополнения является тяготение - гравитационное и постоянное притяжение двух физических тел.
Однако между гравитационными процессами и электромагнитными можно наблюдать несколько важных отличий:
- принимать участие в электромагнитных взаимодействиях могут только заряженные тела;
- гравитационная связь- это всегда систематическое притяжение одного тела к другому;
- электромагнитные взаимосвязи могут быть как отталкиванием, так и притяжением;
- взаимодействие в электродинамике гораздо интенсивнее гравитационного;
- каждое заряженное тело имеет определенную величину электрического заряда.
Определение 2
Электрический заряд - это конкретная физическая величина, которая более точно определяет силу электромагнитного взаимодействия между природой и объектам, единицей измерения которой является кулон (Кл)1.
Электрическое поле
Теория близкодействия одержала верх над ранее предложенными гипотезами ученых, в результате чего основным объектом, полноценно передающим взаимодействие между зарядами даже сквозь вакуум, оказалось электромагнитное поле. Решающими в данной сфере стали труды и работы двух известных ученых $XIX$ столетия - Фарадея и Максвелла. Физики смогли открыть принцип работы электрического поля с помощью экспериментальных подтверждений своих утверждений.
Неподвижные заряды не могут образовывать магнитное поля, следовательно, в этом аспекте необходимо говорить только о свойствах самого электрическом поле.
Итак, главными характеристиками поля в электродинамике являются:
- электрический заряд может создавать мощное поле вокруг себя;
- электродинамика не нуждается в какой-то конкретной среде и может возникать в веществе и в вакууме, является хорошей альтернативной формой существования всей материи;
- электрическое поле является первичным физическим объектом, которое устанавливает законы поведения динамики процессов в электрической цепи.
Источниками электрического поля считают постоянные электрические заряды, а индикатором для исследования данного явления выступает так называемый пробный заряд. По действию этого вещества можно судить о наличии электрического поля в определенном пространстве. Кроме того, посредством пробного заряда можно определить величину поля в различных сферах его взаимодействия. Естественно, данный элемент в электродинамике должен быть точечным и постоянным.
По мнению ученых, сила, оказывающая влияние на пробный заряд в электрическом поле, абсолютно пропорционально величине общего заряда. Поэтому соотношение интенсивности к потоку энергии уже не зависит от показателя заряда и является одним из свойств поля.
Напряжённость электрического поля представляет собой взаимосвязь вектора силы $\vec {F}$, с которой электромагнитное поле действует на пробный заряд $q$, к самому пробному заряду: ${{\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}.}$
Напряжение веществ в поле считается векторной величиной, где в каждой точке пространства находится определенный коэффициент пробного элемента. Поле является заданным, если можно определит зависимость указанного вектора напряжённости от заданных координат точки и от времени.
Замечание 2
Как следует из данного определения, напряжённость принято измерять в Н/кл, однако на сегодняшний день возможно исследовать только свойства этого процесса.
Проводники в электрическом поле
Электрический ток можно легко получить, если полюса батарейки замкнуть металлической проволокой, а если заменить проволоку обычной стеклянной палочкой - никакого тока не возникнет. Металл является основным проводником, а стекло выступает в роли диэлектрика.
Проводники в электродинамике отличаются от диэлектриков отсутствием лишних зарядов, заряженных элементов, положение которых никак не связано с точкой внутри самого вещества. Свободные заряды начинают активно взаимодействовать под влиянием электрического поля и могут двигаться по всему объему проводника.
Определение 3
Проводники - это в первую очередь металлы, в которых абсолютно свободными зарядами считаются только свободные электроны, которые вытекают из особенностей процесса металлической связи.
Дело в том, что валентный постоянный электрон, который расположен на электронной внешней оболочке атома металла, достаточно слабо связан с атомным ядром. При взаимосвязи атомов металла их валентные частицы остаются без оболочки, и «отправляются в свободное плавание».
Проводниками в электрическом поле выступают и электролиты, представляющие собой растворы и расплавы, свободные нано-заряды, в которых проявляется диссоциация молекул на положительные и отрицательные ионы. Если вы бросите в стакан обычной воды щепотку поваренной соли, тогда молекулы $NaCl$ постепенно распадаются на положительные ионы $Na^+$ и $Cl^−$. Под воздействием электрического поля эти показатели начнут образовывать упорядоченное движение, в результате чего возникнет электрический ток.
Природная вода выступает хорошим проводником благодаря наличию растворенных в ней солей, но не таким хорошим, как металлы. Все знают, что тело человека в основным состоит из воды, в которой также растворены определенные элементы соли. Поэтому наше тело также выступает в роли проводника электрического тока.
Стоит отметить, что благодаря наличию огромного количества свободных зарядов, которые способны перемещаться по всему пространственному объему, проводники имеют некоторые характерные общие свойствами.
Электромеханическая аналогия
Между индуктивностью $L$ в электродинамике и массой $m$ в механике нетрудно заметить определенную аналогию. Известно, что для полноценного разгона тела до определенной скорости, необходимо потратить некоторое время, так как мгновенно изменить скорость физического тела невозможно.
При неизменной интенсивности, которая приложена к телу, это время будет напрямую зависеть от массы $m$ тела. Чтобы ток в катушке смог достичь своего максимального значения, требуется время для установления индуктивности индуктивность $L$ катушки.
Скорость тела будет автоматически уменьшаться, если вещества в электрическом поле будут налетать на неподвижную стену. Стена принимает на себя весь удар, и его разрушительная сила тем сильнее, чем больше масса самого тела. На самом деле все электромеханические аналогии простираются достаточно далеко и имеют отношение не только к индуктивности и массы, но и других показателей, отказывающимися крайне полезными на практике.
Осознание единства и постоянства электрической и магнитной взаимосвязи стало первым подтвержденным примером теории объединения физических взаимодействий. На сегодняшний день доказано, что электродинамика и слабое взаимодействия при высоких энергиях объединяются в едином процессе.
