Michael Faraday(Engleski) Michael Faraday, 22. rujna 1791., London - 25. kolovoza 1867., London) - engleski eksperimentalni fizičar i kemičar. Član Londona
Kraljevsko društvo (1824.) i mnoge druge znanstvene organizacije, uključujući inozemnog počasnog člana Peterburške akademije znanosti (1830.).
Otkrio elektromagnetsku indukciju koja je u osnovi moderne industrijske proizvodnje električne energije i mnogih njezinih primjena. Izradio prvi model elektromotora. Među ostalim njegovim otkrićima su prvi transformator, kemijski učinak struje, zakoni elektrolize, učinak magnetskog polja na svjetlost i dijamagnetizam. Prvi je predvidio elektromagnetske valove. Faraday je u znanstvenu upotrebu uveo pojmove ion, katoda, anoda, elektrolit, dielektrik, dijamagnetizam, paramagnetizam itd.
Faraday je utemeljitelj doktrine elektromagnetskog polja koju je zatim matematički formulirao i razvio Maxwell. Faradayev glavni ideološki doprinos fizici elektromagnetskih pojava bilo je odbacivanje Newtonovog principa djelovanja dugog dometa i uvođenje koncepta fizičkog polja - kontinuiranog područja prostora, potpuno ispunjenog linijama sile i u interakciji s materijom.
Lorentz je najpoznatiji po svom radu na polju elektrodinamike i optike. Kombinirajući koncept kontinuiranog elektromagnetskog polja s idejom diskretnih električnih naboja koji čine materiju, stvorio je klasičnu elektroničku teoriju i primijenio je za rješavanje mnogih posebnih problema: dobio je izraz za silu koja djeluje na pokretni naboj iz elektromagnetsko polje (Lorentzova sila), te izveo formulu koja povezuje indeks loma tvari s njezinom gustoćom (Lorentz-Lorentzova formula), razvio teoriju disperzije svjetlosti, objasnio niz magneto-optičkih pojava (osobito Zeemanov efekt ) i neka svojstva metala. Na temelju elektroničke teorije, znanstvenik je razvio elektrodinamiku pokretnih medija, uključujući iznošenje hipoteze o kontrakciji tijela u smjeru njihova kretanja (Fitzgerald - Lorentzova kontrakcija), uveo koncept "lokalnog vremena", dobio relativistički izraz za ovisnost mase o brzini, te izvedene odnose između koordinata i vremena u inercijalnim referentnim sustavima koji se međusobno gibaju (Lorentzove transformacije). Lorentzov rad pridonio je formiranju i razvoju ideja specijalne teorije relativnosti i kvantne fizike. Osim toga, postigao je niz značajnih rezultata u termodinamici i kinetičkoj teoriji plinova, općoj teoriji relativnosti i teoriji toplinskog zračenja.
Također je predvidio "kvantnu teleportaciju" te predvidio i izmjerio Einstein-de Haasov žiromagnetski učinak. Od 1933. bavio se problemima kozmologije i jedinstvene teorije polja. Aktivno se protivio ratu, protiv uporabe nuklearnog oružja, za humanizam, poštivanje ljudskih prava i međusobno razumijevanje naroda.
Einstein je odigrao odlučujuću ulogu u popularizaciji i uvođenju novih fizikalnih koncepata i teorija u znanstveni opticaj. Prije svega, to se odnosi na reviziju shvaćanja fizičke biti prostora i vremena i na izgradnju nove teorije gravitacije koja bi zamijenila Newtonovu. Einstein je također, zajedno s Planckom, postavio temelje kvantne teorije. Ovi koncepti, opetovano potvrđeni eksperimentima, čine temelj moderne fizike.
Plan:
- Uvod
- 1 Osnovni koncepti
- 2 Osnovne jednadžbe
- 3 Sadržaj elektrodinamike
- 4 Dijelovi elektrodinamike
- 5 Vrijednost aplikacije
- 6 Povijest
Uvod
Elektrodinamika- grana fizike koja proučava elektromagnetsko polje u najopćenitijem slučaju (odnosno razmatraju se vremenski ovisna promjenjiva polja) i njegovo međudjelovanje s tijelima koja imaju električni naboj (elektromagnetsko međudjelovanje). Predmet elektrodinamike obuhvaća povezanost električnih i magnetskih pojava, elektromagnetsko zračenje (u različitim uvjetima, slobodno iu različitim slučajevima međudjelovanja s materijom), električnu struju (općenito govoreći promjenljivu) i njezino međudjelovanje s elektromagnetskim poljem (električna struja može se smatrati kada je ovo poput skupa pokretnih nabijenih čestica). Svaka električna i magnetska interakcija između nabijenih tijela u modernoj se fizici smatra pojavom kroz elektromagnetsko polje, te je stoga također predmet elektrodinamike.
Najčešće pod pojmom elektrodinamika prema zadanim postavkama podrazumijeva se klasična elektrodinamika (koja ne utječe na kvantne efekte); Za označavanje suvremene kvantne teorije elektromagnetskog polja i njegove interakcije s nabijenim česticama obično se koristi stabilni termin kvantna elektrodinamika.
1. Osnovni pojmovi
Osnovni koncepti koji se koriste u elektrodinamici uključuju:
- Elektromagnetsko polje je glavni predmet proučavanja elektrodinamike, vrste materije koja se manifestira u interakciji s nabijenim tijelima. Povijesno podijeljen na dva polja:
- Električno polje - koje stvara bilo koje nabijeno tijelo ili izmjenično magnetsko polje, djeluje na bilo koje nabijeno tijelo.
- Magnetsko polje - stvoreno kretanjem nabijenih tijela, nabijenih tijela sa spinom i izmjeničnim električnim poljima, utječe na pokretne naboje i nabijena tijela sa spinom.
- Električni naboj je svojstvo tijela koje im omogućuje stvaranje elektromagnetskih polja, kao i interakciju s tim poljima.
- Elektromagnetski potencijal je 4-vektorska fizikalna veličina koja u potpunosti određuje raspodjelu elektromagnetskog polja u prostoru. Istakni:
- Elektrostatski potencijal - vremenska komponenta 4-vektora
- Vektorski potencijal je trodimenzionalni vektor formiran od preostalih komponenti 4-vektora.
- Poyntingov vektor je vektorska fizikalna veličina koja ima značenje gustoće toka energije elektromagnetskog polja.
2. Osnovne jednadžbe
Osnovne jednadžbe koje opisuju ponašanje elektromagnetskog polja i njegovu interakciju s nabijenim tijelima su:
- Maxwellove jednadžbe, koje određuju ponašanje slobodnog elektromagnetskog polja u vakuumu i mediju, kao i generiranje polja pomoću izvora. Među tim jednadžbama su:
- Faradayev zakon indukcije, koji određuje stvaranje električnog polja izmjeničnim magnetskim poljem.
- Teorem o cirkulaciji magnetskog polja s dodatkom struja pomaka koji je uveo Maxwell određuje stvaranje magnetskog polja pokretnim nabojima i izmjeničnim električnim poljem
- Gaussov teorem za električno polje, koji određuje stvaranje elektrostatskog polja nabojima.
- Zakon zatvorenosti linija magnetskog polja.
- Izraz za Lorentzovu silu koja određuje silu koja djeluje na naboj koji se nalazi u elektromagnetskom polju.
- Joule-Lenzov zakon, koji određuje količinu gubitka topline u vodljivom mediju s konačnom vodljivošću, u prisutnosti električnog polja u njemu.
Posebne jednadžbe od posebne važnosti su:
- Coulombov zakon, koji kombinira Gaussov teorem za električno polje i Lorentzovu silu, i određuje elektrostatsku interakciju dva točkasta naboja.
- Amperov zakon, koji određuje silu koja djeluje na elementarnu struju postavljenu u magnetsko polje.
- Poyntingov teorem, koji izražava zakon održanja energije u elektrodinamici.
3. Sadržaj elektrodinamike
Glavni sadržaj klasične elektrodinamike je opis svojstava elektromagnetskog polja i njegove interakcije s nabijenim tijelima (nabijena tijela "generiraju" elektromagnetsko polje, njegovi su "izvori", a elektromagnetsko polje zauzvrat djeluje na nabijena tijela, stvarajući elektromagnetske sile). Ovaj opis, osim definiranja osnovnih objekata i veličina, kao što su električni naboj, električno polje, magnetsko polje, elektromagnetski potencijal, sveden je na Maxwellove jednadžbe u ovom ili onom obliku i formulu Lorentzove sile, a dotiče se i nekih povezanih pitanja ( vezane za matematičku fiziku, primjene, pomoćne veličine i pomoćne formule važne za primjenu, kao što su vektor gustoće struje ili empirijski Ohmov zakon). Ovaj opis također uključuje pitanja očuvanja i prijenosa energije, momenta, kutnog momenta pomoću elektromagnetskog polja, uključujući formule za gustoću energije, Poyntingov vektor itd.
Ponekad se pod elektrodinamičkim učincima (za razliku od elektrostatike) podrazumijevaju one značajne razlike između općeg slučaja ponašanja elektromagnetskog polja (na primjer, dinamičkog odnosa između promjenjivih električnih i magnetskih polja) od statičkog slučaja, koje čine poseban statički slučaj puno jednostavniji za opisati, razumjeti i izračunati.
4. Dijelovi elektrodinamike
- Elektrostatika opisuje svojstva statičkog (ne mijenja se s vremenom ili se mijenja dovoljno sporo da se mogu zanemariti "elektrodinamički učinci" u gore opisanom smislu) električnog polja i njegove interakcije s električki nabijenim tijelima (električni naboji).
- Magnetostatika proučava istosmjerne struje i konstantna magnetska polja (polja se ne mijenjaju tijekom vremena ili se mijenjaju toliko sporo da se u proračunu može zanemariti brzina tih promjena), kao i njihovo međudjelovanje.
- Elektrodinamika kontinuuma ispituje ponašanje elektromagnetskih polja u kontinuiranim medijima.
- Relativistička elektrodinamika razmatra elektromagnetska polja u pokretnim medijima.
5. Vrijednost primjene
Elektrodinamika je temelj fizičke optike, fizike širenja radiovalova, a također prožima gotovo cijelu fiziku, budući da se gotovo sve grane fizike moraju baviti električnim poljima i nabojima, a često i njihovim netrivijalnim brzim promjenama i pokretima. Osim toga, elektrodinamika je uzorna fizikalna teorija (kako u svojoj klasičnoj tako iu kvantnoj verziji), koja kombinira vrlo visoku točnost proračuna i predviđanja s utjecajem teorijskih ideja rođenih u svom području na druga područja teorijske fizike.
Elektrodinamika ima veliki značaj u tehnici i čini osnovu: radiotehnike, elektrotehnike, raznih grana komunikacija i radija.
6. Povijest
Prvi dokaz povezanosti električnih i magnetskih pojava bilo je Oerstedovo eksperimentalno otkriće 1819.-1820. godine stvaranja magnetskog polja električnom strujom. Također je izrazio ideju o nekoj interakciji električnih i magnetskih procesa u prostoru koji okružuje vodič, ali u prilično nejasnom obliku.
Godine 1831. Michael Faraday eksperimentalno je otkrio fenomen i zakon elektromagnetske indukcije, što je postalo prvi jasni dokaz izravnog dinamičkog odnosa električnog i magnetskog polja. Također je razvio (u odnosu na električna i magnetska polja) osnove koncepta fizičkog polja i neke osnovne teorijske koncepte koji omogućuju opisivanje fizikalnih polja, a također je predvidio postojanje elektromagnetskih valova 1832. godine.
Godine 1864. J. C. Maxwell prvi je objavio kompletan sustav jednadžbi "klasične elektrodinamike" koji opisuje evoluciju elektromagnetskog polja i njegovu interakciju s nabojima i strujama. Iznio je teorijski utemeljenu pretpostavku da je svjetlost elektromagnetski val, tj. predmet elektrodinamike.
OSNOVE ELEKTRODINAMIKE. ELEKTROSTATIKA
OSNOVE ELEKTRODINAMIKE
Elektrodinamika- znanost o svojstvima elektromagnetskog polja.
Elektromagnetsko polje- određeno kretanjem i međudjelovanjem nabijenih čestica.
Manifestacija električnog/magnetskog polja- ovo je djelovanje električnih/magnetskih sila:
1) sile trenja i sile elastičnosti u makrokozmosu;
2) djelovanje električnih/magnetskih sila u mikrokozmosu (struktura atoma, sprezanje atoma u molekule,
transformacija elementarnih čestica)
Otkriće električnog/magnetskog polja- J. Maxwell.
ELEKTROSTATIKA
Grana elektrodinamike proučava električki nabijena tijela u mirovanju.
Elementarne čestice možda ima e-poštu naboj, tada se nazivaju nabijeni;
- međusobno djeluju silama koje ovise o udaljenosti između čestica,
ali višestruko premašuju sile međusobne gravitacije (ova interakcija se zove
elektromagnetski).
E-mail naplatiti- fizički vrijednost određuje intenzitet električnih/magnetskih interakcija.
Postoje 2 predznaka električnih naboja: pozitivni i negativni.
Čestice jednakog naboja se odbijaju, a čestice različitog naboja privlače.
Proton ima pozitivan naboj, elektron ima negativan naboj, a neutron je električki neutralan.
Elementarni naboj- minimalna naknada koja se ne može podijeliti.
Kako možemo objasniti prisutnost elektromagnetskih sila u prirodi?
- Sva tijela sadrže nabijene čestice.
U normalnom stanju organizma el. neutralni (budući da je atom neutralan), i električni/magnetski. moći se ne očituju.
Tijelo je nabijeno, ako ima višak naboja bilo kojeg predznaka:
negativno nabijen - ako postoji višak elektrona;
pozitivno nabijen – ako postoji nedostatak elektrona.
Elektrifikacija tijela- ovo je jedan od načina dobivanja nabijenih tijela, na primjer, kontaktom).
U tom su slučaju oba tijela nabijena, a naboji su suprotnog predznaka, ali jednaki po veličini.
Zakon održanja električnog naboja.
U zatvorenom sustavu algebarski zbroj naboja svih čestica ostaje nepromijenjen.
(... ali ne i broj nabijenih čestica, jer postoje transformacije elementarnih čestica).
Zatvoreni sustav
Sustav čestica u koji nabijene čestice ne ulaze izvana i ne izlaze.
Coulombov zakon
Osnovni zakon elektrostatike.
Sila međudjelovanja između dva točkasta nepokretna nabijena tijela u vakuumu je izravno proporcionalna
umnožak modula naboja i obrnuto je proporcionalan kvadratu udaljenosti između njih.
Kada tijela se smatraju točkastim tijelima? - ako je udaljenost između njih višestruko veća od veličine tijela.
Ako dva tijela imaju električni naboj, tada međusobno djeluju prema Coulombovom zakonu.
Jedinica električnog naboja
1 C je naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča u 1 sekundi pri jakosti struje od 1 A.
1 C je vrlo velik naboj.
Elementarni naboj:
ELEKTRIČNO POLJE
Okolo postoji električni naboj, materijalno.
Glavno svojstvo električnog polja: djelovanje sile na električni naboj koji je u njega unijet.
Elektrostatičko polje- polje stacionarnog električnog naboja ne mijenja se s vremenom.
Jačina električnog polja.- kvantitativne karakteristike el. polja.
je omjer sile kojom polje djeluje na uneseni točkasti naboj i veličine tog naboja.
- ne ovisi o veličini unesenog naboja, već karakterizira električno polje!
Smjer vektora napetosti
poklapa se sa smjerom vektora sile koja djeluje na pozitivan naboj, a suprotno od smjera sile koja djeluje na negativan naboj.
Snaga polja točkastog naboja:
gdje je q0 naboj koji stvara električno polje.
U bilo kojoj točki polja, intenzitet je uvijek usmjeren duž ravne linije koja povezuje tu točku i q0.
ELEKTRIČNI KAPACITET
Karakterizira sposobnost dvaju vodiča da akumuliraju električni naboj.
- ne ovisi o q i U.
- ovisi o geometrijskim dimenzijama vodiča, njihovom obliku, međusobnom položaju, električnim svojstvima medija između vodiča.
SI jedinice: (F - farad)
KONDENZATORI
Električni uređaj koji pohranjuje naboj
(dva vodiča odvojena slojem dielektrika).
Gdje je d puno manji od dimenzija vodiča.
Oznaka na električnim dijagramima:
Cijelo električno polje je koncentrirano unutar kondenzatora.
Naboj kondenzatora je apsolutna vrijednost naboja na jednoj od ploča kondenzatora.
Vrste kondenzatora:
1. po vrsti dielektrika: zračni, liskunski, keramički, elektrolitski
2. prema obliku ploča: plosnate, kuglaste.
3. po kapacitetu: stalni, promjenjivi (podesivi).
Električni kapacitet ravnog kondenzatora
gdje je S površina ploče (oplata) kondenzatora
d - udaljenost između ploča
eo - električna konstanta
e - dielektrična konstanta dielektrika
Uključivanje kondenzatora u električni krug
paralelno
sekvencijalno
Tada je ukupni električni kapacitet (C):
kada su spojeni paralelno
. 
kada su povezani u seriju
DC AC VEZE
Struja- uređeno kretanje nabijenih čestica (slobodnih elektrona ili iona).
U ovom slučaju, električna energija se prenosi kroz presjek vodiča. naboj (tijekom toplinskog gibanja nabijenih čestica ukupni preneseni električni naboj = 0, jer se pozitivni i negativni naboji kompenziraju).
E-mail upute Trenutno- konvencionalno je prihvaćeno razmatranje smjera kretanja pozitivno nabijenih čestica (od + do -).
Akcije putem e-pošte struja (u vodiču):
toplinski učinak struje- zagrijavanje vodiča (osim za supravodiče);
kemijski učinak struje - pojavljuje se samo u elektrolitima.Na elektrodama se oslobađaju tvari koje čine elektrolit;
magnetski učinak struje(glavni) - promatra se u svim vodičima (otklon magnetske igle u blizini vodiča s strujom i djelovanje sile struje na susjedne vodiče kroz magnetsko polje).
OHMOV ZAKON ZA ODSJEK KRUGA
gdje je R otpor dijela kruga. (sam vodič se također može smatrati dijelom kruga).
Svaki vodič ima svoju specifičnu strujno-naponsku karakteristiku.
OTPORNOST
Osnovne električne karakteristike vodiča.
- prema Ohmovom zakonu, ova vrijednost je konstantna za dati vodič.
1 Ohm je otpor vodiča s potencijalnom razlikom na krajevima
na 1 V i jakost struje u njemu je 1 A.
Otpor ovisi samo o svojstvima vodiča:
gdje je S površina poprečnog presjeka vodiča, l je duljina vodiča,
ro - otpornost koja karakterizira svojstva tvari vodiča.
ELEKTRIČNI KRUGOVI
Sastoje se od izvora, potrošača električne struje, vodiča i sklopke.
SERIJSKI SPAJ VODIČA
I - jakost struje u krugu
U - napon na krajevima dionice strujnog kruga
PARALELNI SPAJ VODIČA
I - jakost struje u nerazgranatom dijelu kruga
U - napon na krajevima dionice strujnog kruga
R - ukupni otpor dijela kruga
Prisjetite se kako su povezani mjerni instrumenti:
Ampermetar - spojen u seriju s vodičem u kojem se mjeri struja.
Voltmetar – spojen paralelno s vodičem na kojem se mjeri napon.
DC RAD
Trenutni rad- ovo je rad električnog polja za prijenos električnih naboja duž vodiča;
Rad struje na dionici strujnog kruga jednak je umnošku struje, napona i vremena u kojem je rad obavljen.
Koristeći formulu Ohmovog zakona za dio kruga, možete napisati nekoliko verzija formule za izračunavanje rada struje:
Prema zakonu održanja energije:
Rad je jednak promjeni energije dijela strujnog kruga, pa je energija koju oslobodi vodič jednaka radu struje.
U SI sustavu:
JOULE-LENCOV ZAKON
Kada struja prolazi kroz vodič, vodič se zagrijava i dolazi do izmjene topline s okolinom, tj. vodič predaje toplinu tijelima koja ga okružuju.
Količina topline koju oslobađa vodič kroz struju u okolinu jednaka je umnošku kvadrata jakosti struje, otpora vodiča i vremena prolaska struje kroz vodič.
Prema zakonu održanja energije, količina topline koju oslobodi vodič brojčano je jednaka radu struje koja teče kroz vodič za isto vrijeme.
U SI sustavu:
[Q] = 1 J
DC NAPAJANJE
Omjer rada struje tijekom vremena t i ovog vremenskog intervala.
U SI sustavu:
Fenomen supravodljivosti
Otkriće niskotemperaturne supravodljivosti:
1911 - nizozemski znanstvenik Kamerling - Onnes
promatrano na ultra-niskim temperaturama (ispod 25 K) u mnogim metalima i legurama;
Na takvim temperaturama, otpornost tih tvari postaje iščezavajuće mala.
Godine 1957. dano je teoretsko objašnjenje fenomena supravodljivosti:
Cooper (SAD), Bogolyubov (SSSR)
1957. godine Collinsov pokus: struja u zatvorenom krugu bez izvora struje nije prestajala 2,5 godine.
Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost (na 100 K) (za metal-keramiku).
Poteškoće u postizanju supravodljivosti:
- potreba za jakim hlađenjem tvari
Područje primjene:
- dobivanje jakih magnetskih polja;
- snažni elektromagneti sa supravodljivim namotom u akceleratorima i generatorima.
Trenutno u energetskom sektoru postoji veliki problem
- velike gubitke električne energije tijekom prijenosa nju žicom.
Moguće rješenje Problemi:
kod supravodljivosti, otpor vodiča je približno 0
a gubici energije su naglo smanjeni.
Tvar s najvišom temperaturom supravodljivosti
Godine 1988. u SAD-u, na temperaturi od –148°C, dobivena je pojava supravodljivosti. Vodič je bila mješavina oksida talija, kalcija, barija i bakra - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.
poluvodič -
Tvar čiji otpor može varirati u širokom rasponu i vrlo brzo opada s porastom temperature, što znači da električna vodljivost (1/R) raste.
- uočeno u siliciju, germaniju, selenu i nekim spojevima.
Mehanizam provođenja u poluvodičima
Poluvodički kristali imaju atomsku kristalnu rešetku u kojoj su vanjski elektroni povezani sa susjednim atomima kovalentnim vezama.
Na niskim temperaturama čisti poluvodiči nemaju slobodnih elektrona i ponašaju se kao izolator.
ELEKTRIČNA STRUJA U VAKUUMU
Što je vakuum?
- ovo je stupanj razrijeđenosti plina pri kojem praktički nema sudara molekula;
Električna struja nije moguća jer mogući broj ioniziranih molekula ne može osigurati električnu vodljivost;
- moguće je stvoriti električnu struju u vakuumu ako koristite izvor nabijenih čestica;
- djelovanje izvora nabijenih čestica može se temeljiti na fenomenu termionske emisije.
Termionska emisija
- ovo je emisija elektrona od strane čvrstih ili tekućih tijela kada se zagrijavaju do temperatura koje odgovaraju vidljivom sjaju vrućeg metala.
Zagrijana metalna elektroda kontinuirano emitira elektrone, tvoreći elektronski oblak oko sebe.
U stanju ravnoteže, broj elektrona koji su napustili elektrodu jednak je broju elektrona koji su se u nju vratili (budući da elektroda postaje pozitivno nabijena kada se elektroni izgube).
Što je viša temperatura metala, to je veća gustoća elektronskog oblaka.
Vakuumska dioda
Električna struja u vakuumu moguća je u vakuumskim cijevima.
Vakuumska cijev je uređaj koji koristi fenomen termionske emisije.
Vakuumska dioda je dvoelektrodna (A - anoda i K - katoda) elektronska cijev.
Unutar staklene posude stvara se vrlo nizak tlak
H - žarna nit postavljena unutar katode za njezino zagrijavanje. Površina zagrijane katode emitira elektrone. Ako je anoda spojena na + izvora struje, a katoda na -, tada krug teče
stalna termoenička struja. Vakuumska dioda ima jednosmjernu vodljivost.
Oni. struja u anodi je moguća ako je potencijal anode veći od potencijala katode. U tom slučaju elektroni iz elektronskog oblaka privlače se na anodu, stvarajući električnu struju u vakuumu.
Strujno-naponska karakteristika vakuumske diode.
Pri niskim anodnim naponima ne dolaze svi elektroni koje katoda emitira do anode, a električna struja je mala. Pri visokim naponima struja dolazi do zasićenja, tj. maksimalna vrijednost.
Za ispravljanje izmjenične struje koristi se vakuumska dioda.
Struja na ulazu diodnog ispravljača:
Izlazna struja ispravljača:
Elektronske zrake
Ovo je tok brzo letećih elektrona u vakuumskim cijevima i uređajima s izbojem u plinu.
Svojstva elektronskih zraka:
Otklanja se u električnim poljima;
- otklanjaju se u magnetskim poljima pod utjecajem Lorentzove sile;
- kada se zraka koja pogađa tvar usporava, pojavljuje se rendgensko zračenje;
- izaziva sjaj (luminiscenciju) nekih čvrstih tijela i tekućina (luminofora);
- zagrijati tvar u dodiru s njom.
Katodna cijev (CRT)
Koriste se fenomeni termoemisije i svojstva elektronskih zraka.
CRT se sastoji od elektronskog topa, horizontalnog i vertikalnog deflektora
elektrodne ploče i ekran.
U elektronskom topu, elektroni koje emitira zagrijana katoda prolaze kroz elektrodu kontrolne mreže i ubrzavaju ih anode. Elektronski top fokusira snop elektrona u točku i mijenja svjetlinu svjetla na ekranu. Skretne vodoravne i okomite ploče omogućuju pomicanje elektronske zrake na ekranu u bilo koju točku na ekranu. Zaslon cijevi presvučen je fosforom koji počinje svijetliti kad je bombardiran elektronima.
Postoje dvije vrste cijevi:
1) s elektrostatskom kontrolom elektronskog snopa (skretanje električnog snopa samo električnim poljem);
2) s elektromagnetskom kontrolom (dodaju se magnetske otklonske zavojnice).
Glavne primjene CRT-a:
slikovne cijevi u televizijskoj opremi;
računalni zasloni;
elektronički osciloskopi u mjernoj tehnici.
ELEKTRIČNA STRUJA U PLINOVIMA
U normalnim uvjetima plin je dielektrik, tj. sastoji se od neutralnih atoma i molekula i ne sadrži slobodne nositelje električne struje.
Plin vodič je ionizirani plin. Ionizirani plin ima elektron-ionsku vodljivost.
Zrak je dielektrik u električnim vodovima, zračnim kondenzatorima i kontaktnim sklopkama.
Zrak je vodič kada se pojavi munja, električna iskra ili kada se pojavi zavareni luk.
Ionizacija plina
To je razgradnja neutralnih atoma ili molekula u pozitivne ione i elektrone uklanjanjem elektrona iz atoma. Ionizacija se događa kada se plin zagrijava ili izloži zračenju (UV, X-zrake, radioaktivno) i objašnjava se raspadom atoma i molekula tijekom sudara pri velikim brzinama.
Plinsko pražnjenje
To je električna struja u ioniziranim plinovima.
Nositelji naboja su pozitivni ioni i elektroni. Plinsko pražnjenje opaža se u plinskim cijevima (svjetiljkama) kada su izložene električnom ili magnetskom polju.
Rekombinacija nabijenih čestica
- plin prestaje biti vodič ako prestane ionizacija, to se događa kao rezultat rekombinacije (ponovnog spajanja suprotno nabijenih čestica).
Postoji samoodrživo i nesamoodrživo plinsko pražnjenje.
Nesamoodrživo plinsko pražnjenje
Ako se zaustavi djelovanje ionizatora, prestat će i pražnjenje.
Kada pražnjenje dosegne zasićenje, grafikon postaje vodoravan. Ovdje je električna vodljivost plina uzrokovana samo djelovanjem ionizatora.
Samoodrživo plinsko pražnjenje
U tom slučaju, plinsko pražnjenje se nastavlja i nakon prestanka rada vanjskog ionizatora zbog iona i elektrona koji nastaju udarnom ionizacijom (= ionizacija strujnog udara); nastaje kada se razlika potencijala između elektroda poveća (nastaje elektronska lavina).
Nesamoodrživo plinsko pražnjenje može se transformirati u samoodrživo plinsko pražnjenje kada je Ua = U paljenje.
Električni slom plina
Proces prijelaza nesamoodrživog plinskog pražnjenja u samoodrživi.
Dolazi do samoodrživog pražnjenja plina 4 vrste:
1. tinjajuće - pri niskim tlakovima (do nekoliko mm Hg) - opaženo u plinsko-svjetlećim cijevima i plinskim laserima.
2. iskra - pri normalnom tlaku i velikoj jakosti električnog polja (munja - jakost struje do stotina tisuća ampera).
3. korona - pri normalnom tlaku u nejednolikom električnom polju (na vrhu).
4. luk - velika gustoća struje, nizak napon između elektroda (temperatura plina u kanalu luka -5000-6000 stupnjeva Celzijusa); promatrana u reflektorima i filmskoj opremi za projekcije.
Ova ispuštanja se opažaju:
tinjajuće - u fluorescentnim svjetiljkama;
iskra - u munji;
korona - u elektrofilterima, tijekom curenja energije;
luk - tijekom zavarivanja, u živinim svjetiljkama.
Plazma
Ovo je četvrto agregacijsko stanje tvari s visokim stupnjem ionizacije uslijed sudaranja molekula velikom brzinom pri visokoj temperaturi; nalazimo u prirodi: ionosfera - slabo ionizirana plazma, Sunce - potpuno ionizirana plazma; umjetna plazma - u plinskim žaruljama.
Plazma može biti:
Niska temperatura - na temperaturama manjim od 100 000 K;
visoke temperature - na temperaturama iznad 100 000K.
Osnovna svojstva plazme:
Visoka električna vodljivost
- snažna interakcija s vanjskim električnim i magnetskim poljima.
Na temperaturi 
Svaka tvar je u stanju plazme.
Zanimljivo je da je 99% materije u svemiru plazma
TEST PITANJA ZA TESTIRANJE
Definicija 1
Elektrodinamika je veliko i važno polje fizike koje proučava klasična, nekvantna svojstva elektromagnetskog polja i kretanje pozitivno nabijenih magnetskih naboja koji međusobno djeluju pomoću ovog polja.
Slika 1. Ukratko o elektrodinamici. Author24 - online razmjena studentskih radova
Čini se da je elektrodinamika širok raspon različitih formulacija problema i njihovih inteligentnih rješenja, približnih metoda i posebnih slučajeva, koji su spojeni u jednu cjelinu općim početnim zakonima i jednadžbama. Potonji, koji čine glavni dio klasične elektrodinamike, detaljno su prikazani u Maxwellovim formulama. Trenutno znanstvenici nastavljaju proučavati principe ovog područja u fizici, kostur njegove konstrukcije, odnose s drugim znanstvenim područjima.
Coulombov zakon u elektrodinamici označava se na sljedeći način: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, gdje je $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Jednadžba jakosti električnog polja piše se na sljedeći način: $E= \frac (F)(q)$, a tok vektora indukcije magnetskog polja $∆F=V∆S \cos (a)$.
U elektrodinamici se prvenstveno proučavaju slobodni naboji i sustavi naboja koji doprinose aktivaciji kontinuiranog energetskog spektra. Klasičnom opisu elektromagnetske interakcije ide u prilog činjenica da je učinkovita već u niskoenergetskoj granici, kada je energetski potencijal čestica i fotona malen u usporedbi s energijom mirovanja elektrona.
U takvim situacijama često ne dolazi do anihilacije nabijenih čestica, jer postoji samo postupna promjena stanja njihovog nestabilnog gibanja kao rezultat izmjene velikog broja niskoenergetskih fotona.
Napomena 1
No, čak i pri visokim energijama čestica u mediju, unatoč značajnoj ulozi fluktuacija, elektrodinamika se može uspješno koristiti za sveobuhvatan opis statistički prosječnih, makroskopskih karakteristika i procesa.
Osnovne jednadžbe elektrodinamike
Glavne formule koje opisuju ponašanje elektromagnetskog polja i njegovu izravnu interakciju s nabijenim tijelima su Maxwellove jednadžbe, koje određuju vjerojatna djelovanja slobodnog elektromagnetskog polja u mediju i vakuumu, kao i općenito generiranje polja pomoću izvora.
Među ovim odredbama u fizici moguće je istaknuti:
- Gaussov teorem za električno polje – namijenjen određivanju stvaranja elektrostatskog polja pozitivnim nabojima;
- hipoteza zatvorenih linija polja - promiče interakciju procesa unutar samog magnetskog polja;
- Faradayev zakon indukcije - utvrđuje nastajanje električnog i magnetskog polja promjenjivim svojstvima okoline.
Općenito, Ampere-Maxwellov teorem jedinstvena je ideja o kruženju linija u magnetskom polju s postupnim dodavanjem struja pomaka koju je uveo sam Maxwell, a koja točno određuje transformaciju magnetskog polja pomicanjem naboja i izmjeničnim djelovanjem električno polje.
Naboj i sila u elektrodinamici
U elektrodinamici, međudjelovanje sile i naboja elektromagnetskog polja proizlazi iz sljedeće zajedničke definicije električnog naboja $q$, energije $E$ i magnetskog $B$ polja, koji su uspostavljeni kao temeljni fizikalni zakon temeljen na cijeloj skup eksperimentalnih podataka. Formula za Lorentzovu silu (unutar idealizacije točkastog naboja koji se giba određenom brzinom) napisana je zamjenom brzine $v$.
Vodiči često sadrže veliku količinu naboja, stoga su ti naboji prilično dobro kompenzirani: broj pozitivnih i negativnih naboja uvijek je jednak. Posljedično, ukupna električna sila koja stalno djeluje na vodič također je jednaka nuli. Magnetske sile koje djeluju na pojedinačne naboje u vodiču u konačnici se ne kompenziraju, jer su u prisutnosti struje brzine kretanja naboja uvijek različite. Jednadžba za djelovanje vodiča sa strujom u magnetskom polju može se napisati na sljedeći način: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $
Ako proučavamo ne tekućinu, već puni i stabilni tok nabijenih čestica kao struju, tada će cijeli energetski potencijal koji linearno prolazi područjem za $1s$ biti jakost struje jednaka: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, gdje je $ρ$ gustoća naboja (po jedinici volumena u ukupnom protoku).
Napomena 2
Ako se magnetsko i električno polje sustavno mijenja od točke do točke na određenom mjestu, tada u izrazima i formulama za parcijalne tokove, kao u slučaju tekućine, prosječne vrijednosti $E ⃗ $ i $B ⃗$ na mjesto mora biti uneseno.
Poseban položaj elektrodinamike u fizici
Značajan položaj elektrodinamike u suvremenoj znanosti može se potvrditi kroz poznato djelo A. Einsteina, u kojem su detaljno ocrtani principi i temelji specijalne teorije relativnosti. Znanstveni rad izvanrednog znanstvenika zove se "O elektrodinamici pokretnih tijela" i uključuje veliki broj važnih jednadžbi i definicija.
Kao zasebno područje fizike, elektrodinamika se sastoji od sljedećih dijelova:
- nauk o polju nepokretnih, ali električki nabijenih fizičkih tijela i čestica;
- nauk o svojstvima električne struje;
- nauk o međudjelovanju magnetskog polja i elektromagnetske indukcije;
- proučavanje elektromagnetskih valova i oscilacija.
Sve gore navedene dijelove objedinjuje teorem D. Maxwella, koji ne samo da je stvorio i predstavio koherentnu teoriju elektromagnetskog polja, već je i opisao sva njegova svojstva, dokazujući njegovo stvarno postojanje. Rad ovog konkretnog znanstvenika pokazao je znanstvenom svijetu da su električna i magnetska polja poznata u to vrijeme samo manifestacija jednog elektromagnetskog polja koje djeluje u različitim referentnim sustavima.
Značajan dio fizike posvećen je proučavanju elektrodinamike i elektromagnetskih pojava. Ovo područje u velikoj mjeri polaže pravo na status zasebne znanosti, jer ne samo da istražuje sve obrasce elektromagnetskih interakcija, već ih i detaljno opisuje kroz matematičke formule. Duboka i dugotrajna istraživanja elektrodinamike otvorila su nove putove za korištenje elektromagnetskih fenomena u praksi, za dobrobit cijelog čovječanstva.
Definicija 1
Elektrodinamika je grana fizike koja proučava osnovne varijable elektromagnetskog polja i njihovu interakciju.
Klasična elektrodinamika opisuje sva svojstva elektromagnetskog polja i principe njegovog odnosa s drugim fizičkim elementima koji nose određeni električni naboj. Ovo djelovanje može se odrediti pomoću Maxwellovih jednadžbi i Lorentzovog izraza snage. U ovom slučaju uvijek se koriste sljedeći glavni pojmovi elektrodinamike: elektromagnetsko polje, elektromagnetski potencijal, električni naboj i Poyntingov vektor.
Glavni dijelovi ovog smjera u fizici uključuju:
- magnetostatika;
- elektrostatika;
- elektrodinamika kontinuiranog medija.
Osnova optike, kao grane znanosti, je elektrodinamika u obliku fizike radiovalova. Ovaj znanstveni smjer smatra se temeljem elektrotehnike i radiotehnike.
Električno punjenje
Elektromagnetske interakcije su među najvažnijim aktivnostima u prirodi. Sile elastičnosti i trenja, tlak plina i tekućine mogu se svesti na jedan pokazatelj elektromagnetske sile između elemenata materije. Same interakcije u elektrodinamici više se ne mogu formirati u dubljim oblicima interakcija.
Napomena 1
Ista temeljna vrsta komplementarnosti je gravitacija – gravitacijsko i stalno privlačenje dvaju fizičkih tijela.
Međutim, može se primijetiti nekoliko važnih razlika između gravitacijskih i elektromagnetskih procesa:
- Samo nabijena tijela mogu sudjelovati u elektromagnetskim interakcijama;
- gravitacijska veza uvijek je sustavno privlačenje jednog tijela drugom;
- elektromagnetski odnosi mogu biti ili odbojnost ili privlačnost;
- interakcija u elektrodinamici mnogo je intenzivnija od gravitacijske interakcije;
- Svako nabijeno tijelo ima određeni električni naboj.
Definicija 2
Električni naboj je specifična fizikalna veličina koja točnije određuje jačinu elektromagnetskog međudjelovanja između prirode i tijela, čija je mjerna jedinica kulon (C)1.
Električno polje
Teorija interakcije kratkog dometa prevladala je nad prethodno predloženim hipotezama znanstvenika, zbog čega se pokazalo da je elektromagnetsko polje glavni objekt koji u potpunosti prenosi interakciju između naboja čak i kroz vakuum. Presudni na ovom području bili su radovi i radovi dvojice poznatih znanstvenika 19. stoljeća - Faradaya i Maxwella. Fizičari su eksperimentalno potvrdivši svoje izjave uspjeli otkriti princip djelovanja električnog polja.
Fiksni naboji ne mogu formirati magnetsko polje, stoga je u ovom aspektu potrebno govoriti samo o svojstvima samog električnog polja.
Dakle, glavne karakteristike polja u elektrodinamici su:
- električni naboj može oko sebe stvoriti snažno polje;
- elektrodinamika ne zahtijeva nikakav specifičan medij i može nastati u materiji iu vakuumu; to je dobar alternativni oblik postojanja za svu materiju;
- Električno polje je primarni fizički objekt koji uspostavlja zakonitosti ponašanja dinamike procesa u električnom krugu.
Izvorima električnog polja smatraju se stalni električni naboji, a indikator za proučavanje ove pojave je tzv. probni naboj. Po djelovanju ove tvari može se suditi o prisutnosti električnog polja u određenom prostoru. Osim toga, pomoću ispitnog naboja moguće je odrediti jakost polja u različitim sferama njegove interakcije. Naravno, ovaj element u elektrodinamici mora biti točkast i konstantan.
Prema znanstvenicima, sila koja utječe na ispitni naboj u električnom polju apsolutno je proporcionalna veličini ukupnog naboja. Stoga omjer intenziteta i protoka energije više ne ovisi o indeksu naboja i jedno je od svojstava polja.
Jakost električnog polja je odnos između vektora sile $\vec (F)$ kojim elektromagnetsko polje djeluje na ispitni naboj $q$ i samog ispitnog naboja: $((\vec (E))=( \frac (\vec ( F))(q)).)$
Napon tvari u polju smatra se vektorskom veličinom, gdje u svakoj točki prostora postoji određeni koeficijent testnog elementa. Zadano je polje ako je moguće odrediti ovisnost zadanog vektora intenziteta o zadanim koordinatama točke i vremenu.
Napomena 2
Kao što slijedi iz ove definicije, napetost se obično mjeri u N/kl, ali danas je moguće proučavati samo svojstva ovog procesa.
Vodiči u električnom polju
Električna struja može se lako dobiti ako se polovi baterije kratko spoje metalnom žicom, ali ako se žica zamijeni običnom staklenom šipkom, neće nastati struja. Metal je glavni vodič, a staklo ima ulogu dielektrika.
Vodiči se u elektrodinamici razlikuju od dielektrika u odsutnosti dodatnih naboja, nabijenih elemenata, čiji položaj ni na koji način nije povezan s točkom unutar same tvari. Slobodni naboji počinju aktivno djelovati pod utjecajem električnog polja i mogu se kretati po cijelom volumenu vodiča.
Definicija 3
Vodiči su prvenstveno metali u kojima se samo slobodni elektroni smatraju apsolutno slobodnim nabojima, koji proizlaze iz osobitosti procesa metalnog vezivanja.
Činjenica je da je stalni valentni elektron, koji se nalazi na vanjskoj elektronskoj ljusci atoma metala, prilično slabo vezan za atomsku jezgru. Kada su metalni atomi međusobno povezani, njihove valentne čestice ostaju bez ljuske i “kreću slobodno plutati”.
Kao vodiči u električnom polju djeluju i elektroliti, koji su otopine i taline, slobodni nanonaboji, u kojima se očituje disocijacija molekula na pozitivne i negativne ione. Ako bacite prstohvat kuhinjske soli u čašu obične vode, tada se molekule $NaCl$ postupno raspadaju na pozitivne ione $Na^+$ i $Cl^−$. Pod utjecajem električnog polja, ovi indikatori će početi formirati uređeno kretanje, što će rezultirati električnom strujom.
Prirodna voda je dobar vodič zbog prisutnosti soli otopljenih u njoj, ali nije tako dobar kao metali. Svima je poznato da se ljudsko tijelo uglavnom sastoji od vode, u kojoj su otopljeni i neki elementi soli. Stoga se naše tijelo ponaša i kao vodič električne struje.
Vrijedno je napomenuti da zbog prisutnosti ogromnog broja slobodnih naboja koji se mogu kretati kroz cijeli prostorni volumen, vodiči imaju neka karakteristična zajednička svojstva.
Elektromehanička analogija
Lako je uočiti određenu analogiju između induktiviteta $L$ u elektrodinamici i mase $m$ u mehanici. Poznato je da je za potpuno ubrzanje tijela do određene brzine potrebno utrošiti određeno vrijeme, budući da je nemoguće trenutno promijeniti brzinu fizičkog tijela.
Pri konstantnom intenzitetu primijenjenom na tijelo, ovo vrijeme će izravno ovisiti o masi $m$ tijela. Da bi struja u zavojnici dosegla maksimalnu vrijednost, potrebno je vrijeme da se uspostavi induktivitet $L$ zavojnice.
Brzina tijela će se automatski smanjiti ako se tvari u električnom polju sudare s nepokretnim zidom. Zid preuzima cijeli udarac, a njegova razorna moć je to jača što je veća masa samog tijela. Zapravo, sve elektromehaničke analogije protežu se prilično daleko i odnose se ne samo na induktivitet i masu, već i na druge pokazatelje koji nisu iznimno korisni u praksi.
Spoznaja jedinstva i postojanosti električnog i magnetskog odnosa postala je prvi potvrđeni primjer teorije ujedinjenja fizičkih međudjelovanja. Danas je dokazano da su elektrodinamika i slabe interakcije pri visokim energijama spojene u jedan proces.
