Michael Faraday(Inglese) Michael Faraday, 22 settembre 1791, Londra - 25 agosto 1867, Londra) - Fisico e chimico sperimentale inglese. Membro di Londra
Royal Society (1824) e molte altre organizzazioni scientifiche, tra cui un membro onorario straniero dell'Accademia delle Scienze di San Pietroburgo (1830).
Scoperta l'induzione elettromagnetica, che è alla base della moderna produzione industriale di elettricità e di molte delle sue applicazioni. Creato il primo modello di motore elettrico. Tra le altre sue scoperte ricordiamo il primo trasformatore, l'effetto chimico della corrente, le leggi dell'elettrolisi, l'effetto del campo magnetico sulla luce e il diamagnetismo. Fu il primo a prevedere le onde elettromagnetiche. Faraday introdusse nell'uso scientifico i termini ione, catodo, anodo, elettrolita, dielettrico, diamagnetismo, paramagnetismo, ecc.
Faraday è il fondatore della dottrina del campo elettromagnetico, che fu poi formulata e sviluppata matematicamente da Maxwell. Il principale contributo ideologico di Faraday alla fisica dei fenomeni elettromagnetici fu il rifiuto del principio di azione a lungo raggio di Newton e l'introduzione del concetto di campo fisico: una regione continua di spazio, completamente piena di linee di forza e interagente con la materia.
Lorentz è meglio conosciuto per il suo lavoro nei campi dell'elettrodinamica e dell'ottica. Combinando il concetto di campo elettromagnetico continuo con l'idea di cariche elettriche discrete che costituiscono la materia, creò la teoria elettronica classica e la applicò per risolvere molti problemi particolari: ottenne un'espressione per la forza che agisce su una carica in movimento da il campo elettromagnetico (forza di Lorentz), formula derivata che collega l'indice di rifrazione di una sostanza con la sua densità (formula di Lorentz-Lorentz), ha sviluppato la teoria della dispersione della luce, ha spiegato una serie di fenomeni magneto-ottici (in particolare l'effetto Zeeman) e alcune proprietà dei metalli. Basandosi sulla teoria elettronica, lo scienziato ha sviluppato l'elettrodinamica dei mezzi in movimento, avanzando anche un'ipotesi sulla contrazione dei corpi nella direzione del loro movimento (contrazione di Fitzgerald - Lorentz), ha introdotto il concetto di "tempo locale", ha ottenuto un'espressione relativistica per la dipendenza della massa dalla velocità e relazioni derivate tra coordinate e tempo in sistemi di riferimento inerziali in movimento l'uno rispetto all'altro (trasformazioni di Lorentz). Il lavoro di Lorentz ha contribuito alla formazione e allo sviluppo delle idee della teoria speciale della relatività e della fisica quantistica. Inoltre, ottenne numerosi risultati significativi nella termodinamica e nella teoria cinetica dei gas, nella teoria della relatività generale e nella teoria della radiazione termica.
Predisse anche il "teletrasporto quantistico" e predisse e misurò l'effetto giromagnetico di Einstein-de Haas. Dal 1933 lavorò su problemi di cosmologia e teoria dei campi unificati. Si è opposto attivamente alla guerra, contro l'uso delle armi nucleari, per l'umanesimo, il rispetto dei diritti umani e la comprensione reciproca tra i popoli.
Einstein ha svolto un ruolo decisivo nella divulgazione e nell'introduzione di nuovi concetti e teorie fisiche nella circolazione scientifica. Si tratta innanzitutto di una revisione della comprensione dell'essenza fisica dello spazio e del tempo e della costruzione di una nuova teoria della gravità che sostituisca quella newtoniana. Inoltre Einstein, insieme a Planck, gettò le basi della teoria quantistica. Questi concetti, ripetutamente confermati dagli esperimenti, costituiscono il fondamento della fisica moderna.
Piano:
- introduzione
- 1 Concetti basilari
- 2 Equazioni di base
- 3 Contenuti di elettrodinamica
- 4 Sezioni di elettrodinamica
- 5 Valore dell'applicazione
- 6 Storia
introduzione
Elettrodinamica- branca della fisica che studia il campo elettromagnetico nel caso più generale (si considerano cioè i campi variabili dipendenti dal tempo) e la sua interazione con corpi dotati di carica elettrica (interazione elettromagnetica). La materia dell'elettrodinamica comprende la connessione tra i fenomeni elettrici e magnetici, la radiazione elettromagnetica (in diverse condizioni, sia libera che in vari casi di interazione con la materia), la corrente elettrica (in generale, variabile) e la sua interazione con il campo elettromagnetico (corrente elettrica può essere considerato quando questo è come un insieme di particelle cariche in movimento). Qualsiasi interazione elettrica e magnetica tra corpi carichi è considerata nella fisica moderna come avvenuta attraverso un campo elettromagnetico e, quindi, è anche oggetto dell'elettrodinamica.
Molto spesso sotto il termine elettrodinamica per impostazione predefinita, viene compresa l'elettrodinamica classica (che non influenza gli effetti quantistici); Per denotare la moderna teoria quantistica del campo elettromagnetico e la sua interazione con le particelle cariche, viene solitamente utilizzato il termine stabile elettrodinamica quantistica.
1. Concetti di base
I concetti di base utilizzati in elettrodinamica includono:
- Il campo elettromagnetico è il principale oggetto di studio dell'elettrodinamica, un tipo di materia che si manifesta quando interagisce con corpi carichi. Storicamente diviso in due ambiti:
- Il campo elettrico - creato da qualsiasi corpo carico o campo magnetico alternato, ha un effetto su qualsiasi corpo carico.
- Campo magnetico - creato dallo spostamento di corpi carichi, corpi carichi con spin e campi elettrici alternati, influenza le cariche in movimento e i corpi carichi con spin.
- La carica elettrica è una proprietà dei corpi che consente loro di creare campi elettromagnetici e di interagire con questi campi.
- Il potenziale elettromagnetico è una quantità fisica quadrivettoriale che determina completamente la distribuzione del campo elettromagnetico nello spazio. Evidenziare:
- Potenziale elettrostatico - componente temporale di un quadrivettore
- Il potenziale vettoriale è un vettore tridimensionale formato dai restanti componenti di un quadrivettore.
- Il vettore di Poynting è una grandezza fisica vettoriale che ha il significato della densità del flusso di energia di un campo elettromagnetico.
2. Equazioni fondamentali
Le equazioni fondamentali che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico e la sua interazione con i corpi carichi sono:
- Le equazioni di Maxwell, che determinano il comportamento di un campo elettromagnetico libero nel vuoto e in un mezzo, nonché la generazione del campo da parte di sorgenti. Tra queste equazioni ci sono:
- Legge dell'induzione di Faraday, che determina la generazione di un campo elettrico da parte di un campo magnetico alternato.
- Il teorema della circolazione del campo magnetico con l'aggiunta delle correnti di spostamento introdotto da Maxwell determina la generazione di un campo magnetico mediante cariche in movimento e un campo elettrico alternato
- Teorema di Gauss per il campo elettrico, che determina la generazione di un campo elettrostatico da parte delle cariche.
- La legge di chiusura delle linee del campo magnetico.
- Un'espressione per la forza di Lorentz che determina la forza che agisce su una carica situata in un campo elettromagnetico.
- La legge di Joule-Lenz, che determina la quantità di perdita di calore in un mezzo conduttore con conduttività finita, in presenza di un campo elettrico al suo interno.
Particolari equazioni di particolare importanza sono:
- La legge di Coulomb, che combina il teorema di Gauss per il campo elettrico e la forza di Lorentz, e determina l'interazione elettrostatica di due cariche puntiformi.
- Legge di Ampere, che determina la forza che agisce su una corrente elementare posta in un campo magnetico.
- Teorema di Poynting, che esprime la legge di conservazione dell'energia in elettrodinamica.
3. Contenuti di elettrodinamica
Il contenuto principale dell'elettrodinamica classica è la descrizione delle proprietà del campo elettromagnetico e della sua interazione con i corpi carichi (i corpi carichi “generano” il campo elettromagnetico, sono le sue “sorgenti”, e il campo elettromagnetico a sua volta agisce sui corpi carichi, creando forze elettromagnetiche). Questa descrizione, oltre a definire oggetti e quantità di base, come carica elettrica, campo elettrico, campo magnetico, potenziale elettromagnetico, si riduce alle equazioni di Maxwell in una forma o nell'altra e alla formula della forza di Lorentz, e tocca anche alcune questioni correlate ( relativi alla fisica matematica, applicazioni, quantità ausiliarie e formule ausiliarie importanti per le applicazioni, come il vettore della densità di corrente o la legge empirica di Ohm). Questa descrizione include anche questioni di conservazione e trasferimento di energia, quantità di moto, momento angolare da parte di un campo elettromagnetico, comprese le formule per la densità di energia, il vettore di Poynting, ecc.
A volte, gli effetti elettrodinamici (in contrapposizione all'elettrostatica) sono intesi come quelle differenze significative tra il caso generale del comportamento del campo elettromagnetico (ad esempio, la relazione dinamica tra i cambiamenti dei campi elettrici e magnetici) dal caso statico, che rendono il caso particolare caso statico molto più semplice da descrivere, comprendere e calcolare.
4. Sezioni di elettrodinamica
- L'elettrostatica descrive le proprietà di un campo elettrico statico (che non cambia nel tempo o cambia abbastanza lentamente da poter trascurare gli “effetti elettrodinamici” nel senso sopra descritto) e la sua interazione con corpi elettricamente carichi (cariche elettriche).
- La magnetostatica studia le correnti continue e i campi magnetici costanti (i campi non cambiano nel tempo o cambiano così lentamente che la velocità di questi cambiamenti può essere trascurata nel calcolo), così come la loro interazione.
- L'elettrodinamica del continuo esamina il comportamento dei campi elettromagnetici nei mezzi continui.
- L'elettrodinamica relativistica considera i campi elettromagnetici nei mezzi in movimento.
5. Valore dell'applicazione
L'elettrodinamica è alla base dell'ottica fisica, della fisica della propagazione delle onde radio, e permea anche quasi tutta la fisica, poiché quasi tutti i rami della fisica hanno a che fare con campi e cariche elettriche, e spesso con i loro rapidi cambiamenti e movimenti non banali. Inoltre, l'elettrodinamica è una teoria fisica esemplare (sia nella sua versione classica che quantistica), che combina un'altissima precisione di calcoli e previsioni con l'influenza delle idee teoriche nate nel suo campo su altre aree della fisica teorica.
L'elettrodinamica è di grande importanza nella tecnologia e costituisce la base di: ingegneria radio, ingegneria elettrica, vari rami delle comunicazioni e della radio.
6. Storia
La prima prova della connessione tra fenomeni elettrici e magnetici fu la scoperta sperimentale di Oersted nel 1819-1820 della generazione di un campo magnetico mediante corrente elettrica. Ha anche espresso l'idea di una qualche interazione di processi elettrici e magnetici nello spazio che circonda il conduttore, ma in una forma piuttosto poco chiara.
Nel 1831, Michael Faraday scoprì sperimentalmente il fenomeno e la legge dell'induzione elettromagnetica, che divenne la prima prova chiara della relazione dinamica diretta dei campi elettrici e magnetici. Inoltre sviluppò (in relazione ai campi elettrici e magnetici) i fondamenti del concetto di campo fisico e alcuni concetti teorici di base che rendono possibile descrivere i campi fisici, e predisse anche l'esistenza delle onde elettromagnetiche nel 1832.
Nel 1864, J. C. Maxwell pubblicò per primo il sistema completo di equazioni dell'"elettrodinamica classica" che descriveva l'evoluzione del campo elettromagnetico e la sua interazione con cariche e correnti. Ha fatto un presupposto teorico che la luce sia un'onda elettromagnetica, cioè oggetto dell'elettrodinamica.
FONDAMENTI DI ELETTRODINAMICA. ELETTROSTATICA
FONDAMENTI DI ELETTRODINAMICA
Elettrodinamica- la scienza delle proprietà del campo elettromagnetico.
Campo elettromagnetico- determinato dal movimento e dall'interazione di particelle cariche.
Manifestazione del campo elettrico/magnetico- questa è l'azione delle forze elettriche/magnetiche:
1) forze di attrito e forze elastiche nel macrocosmo;
2) l'azione delle forze elettriche/magnetiche nel microcosmo (struttura atomica, accoppiamento degli atomi in molecole,
trasformazione delle particelle elementari)
Scoperta del campo elettrico/magnetico- J.Maxwell.
ELETTROSTATICA
La branca dell'elettrodinamica studia i corpi elettricamente carichi in riposo.
Particelle elementari potrebbe avere un'e-mail carica, allora sono chiamati caricati;
- interagiscono tra loro con forze che dipendono dalla distanza tra le particelle,
ma superano molte volte le forze di gravità reciproche (questa interazione è chiamata
elettromagnetico).
E-mail carica- fisico il valore determina l'intensità delle interazioni elettriche/magnetiche.
Ci sono 2 segni di cariche elettriche: positive e negative.
Le particelle con cariche simili si respingono, mentre le particelle con cariche diverse si attraggono.
Un protone ha una carica positiva, un elettrone ha una carica negativa e un neutrone è elettricamente neutro.
Tassa elementare- un importo minimo non frazionabile.
Come possiamo spiegare la presenza delle forze elettromagnetiche in natura?
- Tutti i corpi contengono particelle cariche.
Nello stato normale del corpo, el. neutro (poiché l'atomo è neutro) ed elettrico/magnetico. i poteri non sono manifestati.
Il corpo è carico, se ha un eccesso di cariche di qualsiasi segno:
caricato negativamente - se c'è un eccesso di elettroni;
caricato positivamente - se mancano gli elettroni.
Elettrificazione dei corpi- questo è uno dei modi per ottenere corpi carichi, ad esempio tramite contatto).
In questo caso, entrambi i corpi sono carichi e le cariche sono di segno opposto, ma di uguale grandezza.
Legge di conservazione della carica elettrica.
In un sistema chiuso la somma algebrica delle cariche di tutte le particelle rimane invariata.
(...ma non il numero di particelle cariche, poiché esistono trasformazioni di particelle elementari).
Sistema chiuso
Un sistema di particelle in cui le particelle cariche non entrano dall'esterno e non escono.
La legge di Coulomb
Legge fondamentale dell'elettrostatica.
La forza di interazione tra due corpi carichi stazionari puntiformi nel vuoto è direttamente proporzionale
il prodotto dei moduli di carica ed è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro.
Quando i corpi sono considerati corpi puntuali? - se la distanza tra loro è molte volte maggiore della dimensione dei corpi.
Se due corpi hanno cariche elettriche interagiscono secondo la legge di Coulomb.
Unità di carica elettrica
1 C è una carica che attraversa la sezione trasversale di un conduttore in 1 secondo con una corrente di 1 A.
1 C è una carica molto grande.
Carica elementare:
CAMPO ELETTRICO
C'è una carica elettrica intorno, materialmente.
La proprietà principale del campo elettrico: l'azione della forza sulla carica elettrica in esso introdotta.
Campo elettrostatico- il campo di una carica elettrica stazionaria non cambia nel tempo.
Intensità del campo elettrico.- caratteristiche quantitative di el. campi.
è il rapporto tra la forza con cui il campo agisce sulla carica puntiforme introdotta e l'entità di questa carica.
- non dipende dall'entità della carica introdotta, ma caratterizza il campo elettrico!
Direzione del vettore di tensione
coincide con la direzione del vettore forza che agisce su una carica positiva e opposta alla direzione della forza che agisce su una carica negativa.
Intensità del campo di carica puntiforme:
dove q0 è la carica che crea il campo elettrico.
In qualsiasi punto del campo, l'intensità è sempre diretta lungo la linea retta che collega questo punto e q0.
CAPACITÀ ELETTRICA
Caratterizza la capacità di due conduttori di accumulare carica elettrica.
- non dipende da q e U.
- dipende dalle dimensioni geometriche dei conduttori, dalla loro forma, posizione relativa, proprietà elettriche del mezzo tra i conduttori.
Unità SI: (F - farad)
CONDENSATORI
Dispositivo elettrico che immagazzina carica
(due conduttori separati da uno strato dielettrico).
Dove d è molto più piccolo delle dimensioni del conduttore.
Designazione sugli schemi elettrici:
L'intero campo elettrico è concentrato all'interno del condensatore.
La carica di un condensatore è il valore assoluto della carica su una delle piastre del condensatore.
Tipi di condensatori:
1. per tipo di dielettrico: aria, mica, ceramica, elettrolitico
2. a seconda della forma delle piastre: piatte, sferiche.
3. per capacità: costante, variabile (regolabile).
Capacità elettrica di un condensatore piatto
dove S è l'area della placcatura (placcatura) del condensatore
d - distanza tra le piastre
eo - costante elettrica
e - costante dielettrica del dielettrico
Compresi i condensatori in un circuito elettrico
parallelo
sequenziale
Quindi la capacità elettrica totale (C):
quando collegati in parallelo
. 
quando collegati in serie
CONNESSIONI CC CA
Elettricità- movimento ordinato di particelle cariche (elettroni liberi o ioni).
In questo caso l'elettricità viene trasferita attraverso la sezione trasversale del conduttore. carica (durante il movimento termico delle particelle cariche, la carica elettrica trasferita totale = 0, poiché le cariche positive e negative vengono compensate).
Direzione e-mail attuale- è convenzionalmente accettato considerare la direzione del movimento delle particelle caricate positivamente (da + a -).
Azioni e-mail corrente (nel conduttore):
effetto termico della corrente- riscaldamento del conduttore (ad eccezione dei superconduttori);
effetto chimico della corrente - compare solo negli elettroliti: le sostanze che compongono l'elettrolita vengono rilasciate sugli elettrodi;
effetto magnetico della corrente(principale) - osservato in tutti i conduttori (deflessione dell'ago magnetico vicino a un conduttore con corrente e effetto della forza della corrente sui conduttori vicini attraverso un campo magnetico).
LEGGE DI OHM PER UNA SEZIONE DI CIRCUITO
dove , R è la resistenza della sezione del circuito. (anche il conduttore stesso può essere considerato una sezione del circuito).
Ogni conduttore ha la propria specifica caratteristica corrente-tensione.
RESISTENZA
Caratteristiche elettriche fondamentali di un conduttore.
- secondo la legge di Ohm, questo valore è costante per un dato conduttore.
1 Ohm è la resistenza di un conduttore con una differenza di potenziale ai suoi capi
a 1 V e la corrente al suo interno è 1 A.
La resistenza dipende solo dalle proprietà del conduttore:
dove S è l'area della sezione trasversale del conduttore, l è la lunghezza del conduttore,
ro - resistività che caratterizza le proprietà della sostanza conduttrice.
CIRCUITI ELETTRICI
Sono costituiti da una fonte, un consumatore di corrente elettrica, fili e un interruttore.
COLLEGAMENTO IN SERIE DEI CONDUTTORI
I - forza attuale nel circuito
U - tensione alle estremità della sezione del circuito
COLLEGAMENTO IN PARALLELO DEI CONDUTTORI
I - intensità attuale in una sezione non ramificata del circuito
U - tensione alle estremità della sezione del circuito
R - resistenza totale della sezione del circuito
Ricorda come sono collegati gli strumenti di misura:
Amperometro - collegato in serie al conduttore in cui viene misurata la corrente.
Voltmetro - collegato in parallelo al conduttore su cui viene misurata la tensione.
FUNZIONAMENTO CC
Lavoro attuale- questo è il lavoro del campo elettrico per trasferire le cariche elettriche lungo il conduttore;
Il lavoro compiuto dalla corrente su una sezione del circuito è pari al prodotto della corrente, della tensione e del tempo durante il quale è stato eseguito il lavoro.
Usando la formula della legge di Ohm per una sezione di un circuito, puoi scrivere diverse versioni della formula per calcolare il lavoro della corrente:
Secondo la legge di conservazione dell’energia:
Il lavoro è pari alla variazione di energia di una sezione del circuito, quindi l'energia ceduta dal conduttore è pari al lavoro della corrente.
Nel sistema SI:
LEGGE JOULE-LENZ
Quando la corrente passa attraverso un conduttore, il conduttore si riscalda e avviene uno scambio di calore con l'ambiente, ad es. il conduttore cede calore ai corpi che lo circondano.
La quantità di calore rilasciata da un conduttore che trasporta corrente nell'ambiente è pari al prodotto del quadrato dell'intensità della corrente, della resistenza del conduttore e del tempo in cui la corrente passa attraverso il conduttore.
Secondo la legge di conservazione dell'energia, la quantità di calore rilasciata da un conduttore è numericamente uguale al lavoro compiuto dalla corrente che scorre attraverso il conduttore nello stesso tempo.
Nel sistema SI:
[Q] = 1 J
POTENZA CC
Il rapporto tra il lavoro svolto dalla corrente durante il tempo t e questo intervallo di tempo.
Nel sistema SI:
Il fenomeno della superconduttività
Scoperta della superconduttività a bassa temperatura:
1911 - Scienziato olandese Kamerling - Onnes
osservato a temperature ultra-basse (sotto i 25 K) in molti metalli e leghe;
A tali temperature, la resistività di queste sostanze diventa incredibilmente piccola.
Nel 1957 fu data una spiegazione teorica del fenomeno della superconduttività:
Cooper (USA), Bogolyubov (URSS)
1957 Esperimento di Collins: la corrente in un circuito chiuso senza sorgente di corrente non si ferma per 2,5 anni.
Nel 1986 fu scoperta la superconduttività ad alta temperatura (a 100 K) (per metallo-ceramica).
Difficoltà nel raggiungere la superconduttività:
- la necessità di un forte raffreddamento della sostanza
Area di applicazione:
- ottenere forti campi magnetici;
- potenti elettromagneti con avvolgimento superconduttore in acceleratori e generatori.
Attualmente nel settore energetico c'è un grosso problema
- grandi perdite di elettricità durante la trasmissione lei tramite filo.
Possibile soluzione I problemi:
con la superconduttività la resistenza dei conduttori è circa 0
e le perdite di energia sono drasticamente ridotte.
Sostanza con la più alta temperatura superconduttiva
Nel 1988 negli USA, alla temperatura di –148°C, si ottenne il fenomeno della superconduttività. Il conduttore era una miscela di ossidi di tallio, calcio, bario e rame - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.
Semiconduttore-
Sostanza la cui resistività può variare in un ampio intervallo e diminuisce molto rapidamente con l'aumentare della temperatura, il che significa che la conduttività elettrica (1/R) aumenta.
- osservato nel silicio, nel germanio, nel selenio e in alcuni composti.
Meccanismo di conduzione nei semiconduttori
I cristalli semiconduttori hanno un reticolo cristallino atomico in cui gli elettroni esterni sono legati agli atomi vicini mediante legami covalenti.
A basse temperature, i semiconduttori puri non hanno elettroni liberi e si comportano come un isolante.
CORRENTE ELETTRICA NEL VUOTO
Cos'è il vuoto?
- questo è il grado di rarefazione di un gas al quale praticamente non si verificano collisioni di molecole;
La corrente elettrica non è possibile perché il numero possibile di molecole ionizzate non può fornire conduttività elettrica;
- è possibile creare corrente elettrica nel vuoto se si utilizza una fonte di particelle cariche;
- l'azione di una sorgente di particelle cariche può basarsi sul fenomeno dell'emissione termoionica.
Emissione termoionica
- è l'emissione di elettroni da parte di corpi solidi o liquidi quando vengono riscaldati a temperature corrispondenti al bagliore visibile del metallo caldo.
L'elettrodo metallico riscaldato emette continuamente elettroni, formando attorno a sé una nuvola di elettroni.
In uno stato di equilibrio, il numero di elettroni che hanno lasciato l'elettrodo è uguale al numero di elettroni che vi sono tornati (poiché l'elettrodo si carica positivamente quando si perdono gli elettroni).
Maggiore è la temperatura del metallo, maggiore è la densità della nuvola di elettroni.
Diodo a vuoto
La corrente elettrica nel vuoto è possibile nei tubi a vuoto.
Un tubo a vuoto è un dispositivo che sfrutta il fenomeno dell'emissione termoionica.
Un diodo a vuoto è un tubo elettronico a due elettrodi (A - anodo e K - catodo).
All'interno del contenitore di vetro si crea una pressione molto bassa
H - filamento posto all'interno del catodo per riscaldarlo. La superficie del catodo riscaldato emette elettroni. Se l'anodo è collegato al + della sorgente di corrente e il catodo è collegato al -, il circuito scorre
corrente termoionica costante. Il diodo del vuoto ha conduttività unidirezionale.
Quelli. la corrente nell'anodo è possibile se il potenziale dell'anodo è superiore al potenziale del catodo. In questo caso, gli elettroni della nuvola elettronica vengono attratti dall'anodo, creando una corrente elettrica nel vuoto.
Caratteristica corrente-tensione di un diodo a vuoto.
A basse tensioni anodiche, non tutti gli elettroni emessi dal catodo raggiungono l'anodo e la corrente elettrica è piccola. Ad alte tensioni, la corrente raggiunge la saturazione, cioè valore massimo.
Un diodo a vuoto viene utilizzato per raddrizzare la corrente alternata.
Corrente all'ingresso del raddrizzatore a diodi:
Corrente di uscita del raddrizzatore:
Fasci di elettroni
Si tratta di un flusso di elettroni che volano rapidamente nei tubi a vuoto e nei dispositivi a scarica di gas.
Proprietà dei fasci di elettroni:
Deflette nei campi elettrici;
- deviare nei campi magnetici sotto l'influenza della forza di Lorentz;
- quando un raggio che colpisce una sostanza viene decelerato, compaiono radiazioni di raggi X;
- provoca bagliore (luminescenza) di alcuni solidi e liquidi (luminofori);
- riscaldare la sostanza contattandola.
Tubo a raggi catodici (CRT)
Vengono utilizzati i fenomeni di emissione termoionica e le proprietà dei fasci di elettroni.
Un CRT è costituito da un cannone elettronico e deflettori orizzontali e verticali
piastre e schermo degli elettrodi.
In un cannone elettronico, gli elettroni emessi da un catodo riscaldato passano attraverso l'elettrodo della griglia di controllo e vengono accelerati dagli anodi. Un cannone elettronico concentra un fascio di elettroni in un punto e modifica la luminosità della luce sullo schermo. Le piastre deviabili orizzontali e verticali consentono di spostare il fascio di elettroni sullo schermo in qualsiasi punto dello schermo. Lo schermo del tubo è rivestito di fosforo che inizia a brillare quando viene bombardato da elettroni.
Esistono due tipi di tubi:
1) con controllo elettrostatico del fascio di elettroni (deflessione del fascio elettrico solo ad opera del campo elettrico);
2) con controllo elettromagnetico (si aggiungono bobine di deflessione magnetica).
Principali applicazioni del CRT:
tubi catodici in apparecchiature televisive;
schermi di computer;
oscilloscopi elettronici nella tecnologia di misurazione.
CORRENTE ELETTRICA NEI GAS
In condizioni normali, il gas è un dielettrico, cioè è costituito da atomi e molecole neutre e non contiene portatori liberi di corrente elettrica.
Il gas conduttore è un gas ionizzato. Il gas ionizzato ha conduttività elettrone-ione.
L'aria è un dielettrico nelle linee elettriche, nei condensatori ad aria e negli interruttori di contatto.
L'aria è un conduttore quando si verifica un fulmine, una scintilla elettrica o quando si verifica un arco di saldatura.
Ionizzazione del gas
È la rottura di atomi o molecole neutri in ioni ed elettroni positivi rimuovendo gli elettroni dagli atomi. La ionizzazione avviene quando un gas viene riscaldato o esposto a radiazioni (UV, raggi X, radioattivi) e si spiega con la disintegrazione di atomi e molecole durante collisioni ad alta velocità.
Scarica di gas
Questa è la corrente elettrica nei gas ionizzati.
I portatori di carica sono ioni positivi ed elettroni. La scarica di gas si osserva nei tubi a scarica di gas (lampade) quando esposti a un campo elettrico o magnetico.
Ricombinazione di particelle cariche
- il gas cessa di essere conduttore se si interrompe la ionizzazione, ciò avviene a seguito della ricombinazione (riunione di particelle di carica opposta).
C'è uno scarico di gas autosufficiente e non autosufficiente.
Scarico di gas non autosufficiente
Se si interrompe l'azione dello ionizzatore, si interromperà anche la scarica.
Quando la portata raggiunge la saturazione il grafico diventa orizzontale. In questo caso la conduttività elettrica del gas è causata esclusivamente dall'azione dello ionizzatore.
Scarico di gas autosufficiente
In questo caso la scarica di gas continua anche dopo la cessazione dello ionizzatore esterno a causa degli ioni e degli elettroni derivanti dalla ionizzazione per impatto (= ionizzazione della scossa elettrica); si verifica quando la differenza di potenziale tra gli elettrodi aumenta (si verifica una valanga di elettroni).
Una scarica di gas non autosostenuta può trasformarsi in una scarica di gas autosostenuta quando Ua = Uignition.
Guasto elettrico del gas
Il processo di transizione da uno scarico di gas non autosufficiente a uno autosufficiente.
Si verifica una scarica di gas autosostenuta 4 tipi:
1. combustione senza fiamma - a basse pressioni (fino a diversi mm Hg) - osservata nei tubi di luce a gas e nei laser a gas.
2. scintilla - a pressione normale e intensità di campo elettrico elevata (fulmine - intensità di corrente fino a centinaia di migliaia di ampere).
3. corona - a pressione normale in un campo elettrico non uniforme (sulla punta).
4. arco - alta densità di corrente, bassa tensione tra gli elettrodi (temperatura del gas nel canale dell'arco -5000-6000 gradi Celsius); osservato nei faretti e nelle apparecchiature cinematografiche di proiezione.
Si osservano questi scarichi:
fumante - nelle lampade fluorescenti;
scintilla: nel fulmine;
corona: nei precipitatori elettrici, durante le perdite di energia;
arco - durante la saldatura, nelle lampade al mercurio.
Plasma
Questo è il quarto stato di aggregazione di una sostanza con un elevato grado di ionizzazione dovuto alla collisione di molecole ad alta velocità ad alta temperatura; presente in natura: ionosfera - plasma debolmente ionizzato, Sole - plasma completamente ionizzato; plasma artificiale - nelle lampade a scarica di gas.
Il plasma può essere:
Bassa temperatura - a temperature inferiori a 100.000 K;
alta temperatura - a temperature superiori a 100.000 K.
Proprietà fondamentali del plasma:
Alta conduttività elettrica
- forte interazione con campi elettrici e magnetici esterni.
A una temperatura 
Qualsiasi sostanza è allo stato plasmatico.
È interessante notare che il 99% della materia nell'Universo è plasma
DOMANDE DI PROVA PER IL TEST
Definizione 1
L'elettrodinamica è un vasto e importante campo della fisica che studia le proprietà classiche e non quantistiche del campo elettromagnetico e il movimento delle cariche magnetiche caricate positivamente che interagiscono tra loro utilizzando questo campo.
Figura 1. Brevemente sull'elettrodinamica. Author24 - scambio online di lavori degli studenti
L'elettrodinamica sembra essere un'ampia gamma di diverse formulazioni di problemi e delle loro soluzioni intelligenti, metodi approssimati e casi speciali, che sono combinati in un unico insieme da leggi ed equazioni generali iniziali. Questi ultimi, che costituiscono la parte principale dell'elettrodinamica classica, sono presentati in dettaglio nelle formule di Maxwell. Attualmente, gli scienziati continuano a studiare i principi di quest'area in fisica, lo scheletro della sua costruzione, i rapporti con altre aree scientifiche.
La legge di Coulomb in elettrodinamica è indicata come segue: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, dove $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. L'equazione dell'intensità del campo elettrico è scritta come segue: $E= \frac (F)(q)$, e il flusso del vettore di induzione del campo magnetico $∆Ф=В∆S \cos (a)$.
In elettrodinamica si studiano principalmente le cariche libere e i sistemi di cariche che contribuiscono all'attivazione di uno spettro energetico continuo. La descrizione classica dell'interazione elettromagnetica è favorita dal fatto che essa è efficace già nel limite di bassa energia, quando il potenziale energetico di particelle e fotoni è piccolo rispetto all'energia di riposo dell'elettrone.
In tali situazioni, spesso non si verifica l'annientamento delle particelle cariche, poiché si verifica solo un cambiamento graduale nello stato del loro movimento instabile come risultato dello scambio di un gran numero di fotoni a bassa energia.
Nota 1
Tuttavia, anche ad alte energie delle particelle nel mezzo, nonostante il ruolo significativo delle fluttuazioni, l'elettrodinamica può essere utilizzata con successo per una descrizione completa di caratteristiche e processi statisticamente medi e macroscopici.
Equazioni fondamentali dell'elettrodinamica
Le formule principali che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico e la sua interazione diretta con i corpi carichi sono le equazioni di Maxwell, che determinano le probabili azioni di un campo elettromagnetico libero nel mezzo e nel vuoto, nonché la generazione generale del campo da parte delle sorgenti.
Tra queste disposizioni in fisica è possibile evidenziare:
- Il teorema di Gauss per il campo elettrico - inteso a determinare la generazione di un campo elettrostatico da parte di cariche positive;
- ipotesi di linee di campo chiuse - promuove l'interazione dei processi all'interno del campo magnetico stesso;
- Legge di induzione di Faraday: stabilisce la generazione di campi elettrici e magnetici mediante le proprietà variabili dell'ambiente.
In generale, il teorema di Ampere-Maxwell è un'idea unica sulla circolazione delle linee in un campo magnetico con l'aggiunta graduale di correnti di spostamento introdotte dallo stesso Maxwell, che determina precisamente la trasformazione del campo magnetico mediante lo spostamento di cariche e l'azione alternata di il campo elettrico.
Carica e forza in elettrodinamica
In elettrodinamica, l'interazione di forza e carica del campo elettromagnetico deriva dalla seguente definizione congiunta dei campi di carica elettrica $q$, energia $E$ e campo magnetico $B$, che vengono stabiliti come legge fisica fondamentale basata sull'intero insieme di dati sperimentali. La formula per la forza di Lorentz (all'interno dell'idealizzazione di una carica puntiforme che si muove ad una certa velocità) viene scritta sostituendo la velocità $v$.
I conduttori contengono spesso un'enorme quantità di cariche, quindi queste cariche sono abbastanza ben compensate: il numero di cariche positive e negative è sempre uguale tra loro. Di conseguenza anche la forza elettrica totale che agisce costantemente sul conduttore è nulla. Le forze magnetiche che agiscono sulle singole cariche in un conduttore alla fine non vengono compensate, perché in presenza di corrente le velocità di movimento delle cariche sono sempre diverse. L'equazione per il comportamento di un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico può essere scritta come segue: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $
Se studiamo non un liquido, ma un flusso completo e stabile di particelle cariche come corrente, allora l'intero potenziale energetico che passa linearmente attraverso l'area per $1s$ sarà l'intensità della corrente pari a: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, dove $ρ$ è la densità di carica (per unità di volume nel flusso totale).
Nota 2
Se il campo magnetico ed elettrico cambia sistematicamente da punto a punto su un sito specifico, allora nelle espressioni e formule per i flussi parziali, come nel caso del liquido, i valori medi $E ⃗ $ e $B ⃗$ sul è necessario inserire il sito.
La posizione speciale dell'elettrodinamica in fisica
La posizione significativa dell'elettrodinamica nella scienza moderna può essere confermata attraverso la famosa opera di A. Einstein, in cui sono stati delineati in dettaglio i principi e i fondamenti della teoria della relatività speciale. Il lavoro scientifico dell'eccezionale scienziato si chiama "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento" e comprende un numero enorme di equazioni e definizioni importanti.
Essendo un campo separato della fisica, l'elettrodinamica è composta dalle seguenti sezioni:
- la dottrina del campo dei corpi fisici e delle particelle stazionari ma elettricamente carichi;
- la dottrina delle proprietà della corrente elettrica;
- la dottrina dell'interazione del campo magnetico e dell'induzione elettromagnetica;
- lo studio delle onde e delle oscillazioni elettromagnetiche.
Tutte le sezioni precedenti sono unite in una dal teorema di D. Maxwell, che non solo ha creato e presentato una teoria coerente del campo elettromagnetico, ma ha anche descritto tutte le sue proprietà, dimostrandone la reale esistenza. Il lavoro di questo particolare scienziato ha mostrato al mondo scientifico che i campi elettrici e magnetici allora conosciuti sono solo una manifestazione di un unico campo elettromagnetico operante in diversi sistemi di riferimento.
Una parte significativa della fisica è dedicata allo studio dell'elettrodinamica e dei fenomeni elettromagnetici. Quest'area rivendica in gran parte lo status di scienza separata, poiché non solo esplora tutti i modelli delle interazioni elettromagnetiche, ma le descrive anche in dettaglio attraverso formule matematiche. La ricerca approfondita e a lungo termine nel campo dell’elettrodinamica ha aperto nuove strade per l’uso pratico dei fenomeni elettromagnetici, a beneficio di tutta l’umanità.
Definizione 1
L'elettrodinamica è una branca della fisica che studia le variabili fondamentali del campo elettromagnetico e la loro interazione.
L'elettrodinamica classica descrive tutte le proprietà del campo elettromagnetico e i principi della sua relazione con altri elementi fisici che trasportano una determinata carica elettrica. Questa azione può essere determinata attraverso le equazioni di Maxwell e l'espressione della potenza di Lorentz. In questo caso vengono sempre utilizzati i seguenti concetti principali dell'elettrodinamica: campo elettromagnetico, potenziale elettromagnetico, carica elettrica e vettore di Poynting.
Le sezioni principali di questa direzione in fisica includono:
- magnetostatica;
- elettrostatica;
- Elettrodinamica di un mezzo continuo.
La base dell'ottica, come branca della scienza, è l'elettrodinamica sotto forma di fisica delle onde radio. Questa direzione scientifica è considerata la base dell'ingegneria elettrica e radio.
Carica elettrica
Le interazioni elettromagnetiche sono tra le attività più importanti in natura. Le forze di elasticità e attrito, la pressione dei gas e dei liquidi possono essere ridotte a un unico indicatore della forza elettromagnetica tra gli elementi della materia. Le interazioni stesse nell'elettrodinamica non possono più formarsi in forme di interazione più profonde.
Nota 1
Lo stesso tipo fondamentale di complementarità è la gravitazione: l'attrazione gravitazionale e costante di due corpi fisici.
Tuttavia, si possono osservare diverse importanti differenze tra i processi gravitazionali e quelli elettromagnetici:
- Solo i corpi carichi possono prendere parte alle interazioni elettromagnetiche;
- la connessione gravitazionale è sempre l'attrazione sistematica di un corpo verso un altro;
- le relazioni elettromagnetiche possono essere sia di repulsione che di attrazione;
- l'interazione in elettrodinamica è molto più intensa dell'interazione gravitazionale;
- Ogni corpo carico possiede una certa quantità di carica elettrica.
Definizione 2
La carica elettrica è una quantità fisica specifica che determina in modo più accurato la forza dell'interazione elettromagnetica tra la natura e gli oggetti, la cui unità di misura è il coulomb (C)1.
Campo elettrico
La teoria dell'interazione a corto raggio ha prevalso sulle ipotesi degli scienziati precedentemente proposte, a seguito delle quali il campo elettromagnetico si è rivelato l'oggetto principale che trasmette pienamente l'interazione tra le cariche anche attraverso il vuoto. Decisive in quest'area furono le opere e le opere di due famosi scienziati del XIX secolo: Faraday e Maxwell. I fisici sono riusciti a scoprire il principio di funzionamento del campo elettrico attraverso la conferma sperimentale delle loro affermazioni.
Le cariche fisse non possono formare un campo magnetico, quindi sotto questo aspetto è necessario parlare solo delle proprietà del campo elettrico stesso.
Quindi, le principali caratteristiche del campo dell'elettrodinamica sono:
- una carica elettrica può creare attorno a sé un potente campo;
- l'elettrodinamica non richiede alcun mezzo specifico e può sorgere nella materia e nel vuoto; è una buona forma di esistenza alternativa per tutta la materia;
- Il campo elettrico è un oggetto fisico primario che stabilisce le leggi di comportamento della dinamica dei processi in un circuito elettrico.
Le sorgenti del campo elettrico sono considerate cariche elettriche costanti e l'indicatore per studiare questo fenomeno è la cosiddetta carica di prova. Dall'azione di questa sostanza si può giudicare la presenza di un campo elettrico in un determinato spazio. Inoltre, mediante una carica di prova, è possibile determinare l'intensità del campo in vari ambiti della sua interazione. Naturalmente, questo elemento nell'elettrodinamica deve essere puntuale e costante.
Secondo gli scienziati, la forza che influenza la carica di prova in un campo elettrico è assolutamente proporzionale all'entità della carica totale. Pertanto, il rapporto tra intensità e flusso di energia non dipende più dall'indice di carica ed è una delle proprietà del campo.
L'intensità del campo elettrico è il rapporto tra il vettore forza $\vec (F)$, con cui il campo elettromagnetico agisce sulla carica di prova $q$, e la carica di prova stessa: $((\vec (E))=( \frac (\vec ( F))(q)).)$
La tensione delle sostanze nel campo è considerata una quantità vettoriale, dove in ogni punto dello spazio c'è un certo coefficiente dell'elemento di prova. Viene fornito un campo se è possibile determinare la dipendenza del vettore di intensità specificato dalle coordinate date del punto e dal tempo.
Nota 2
Come segue da questa definizione, la tensione viene solitamente misurata in N/kl, ma oggi è possibile studiare solo le proprietà di questo processo.
Conduttori in un campo elettrico
La corrente elettrica si ottiene facilmente cortocircuitando i poli della batteria con un filo metallico, ma se si sostituisce il filo con una comune bacchetta di vetro non si formerà corrente. Il metallo è il conduttore principale e il vetro funge da dielettrico.
I conduttori in elettrodinamica differiscono dai dielettrici in assenza di cariche aggiuntive, elementi carichi, la cui posizione non è in alcun modo correlata a un punto all'interno della sostanza stessa. Le cariche libere iniziano a interagire attivamente sotto l'influenza di un campo elettrico e possono muoversi attraverso l'intero volume del conduttore.
Definizione 3
I conduttori sono principalmente metalli in cui solo gli elettroni liberi sono considerati cariche assolutamente libere, che derivano dalle peculiarità del processo di incollaggio metallico.
Il fatto è che l'elettrone di valenza permanente, che si trova sul guscio elettronico esterno dell'atomo di metallo, è legato piuttosto debolmente al nucleo atomico. Quando gli atomi metallici sono interconnessi, le loro particelle di valenza rimangono senza guscio e “si mettono a fluttuare liberamente”.
Gli elettroliti, che sono soluzioni e fusioni, nano-cariche libere, in cui si manifesta la dissociazione delle molecole in ioni positivi e negativi, fungono anche da conduttori in un campo elettrico. Se getti un pizzico di sale da cucina in un bicchiere di acqua normale, le molecole $NaCl$ si decompongono gradualmente in ioni positivi $Na^+$ e $Cl^−$. Sotto l'influenza di un campo elettrico, questi indicatori inizieranno a formare un movimento ordinato, che si tradurrà in una corrente elettrica.
L'acqua naturale è un buon conduttore per la presenza dei sali in essa disciolti, ma non quanto i metalli. Tutti sanno che il corpo umano è costituito principalmente da acqua, nella quale sono disciolti anche alcuni elementi salini. Pertanto, il nostro corpo funge anche da conduttore di corrente elettrica.
Vale la pena notare che a causa della presenza di un numero enorme di cariche libere che sono in grado di muoversi attraverso l'intero volume spaziale, i conduttori hanno alcune proprietà comuni caratteristiche.
Analogia elettromeccanica
È facile notare una certa analogia tra l'induttanza $L$ in elettrodinamica e la massa $m$ in meccanica. È noto che per accelerare completamente un corpo a una certa velocità, è necessario dedicare del tempo, poiché è impossibile modificare istantaneamente la velocità di un corpo fisico.
A un'intensità costante applicata al corpo, questo tempo dipenderà direttamente dalla massa $m$ del corpo. Affinché la corrente nella bobina raggiunga il suo valore massimo, è necessario del tempo per stabilire l'induttanza $L$ della bobina.
La velocità del corpo diminuirà automaticamente se le sostanze nel campo elettrico entrano in collisione con una parete stazionaria. Il muro subisce l'intero colpo e il suo potere distruttivo è tanto più forte quanto maggiore è la massa del corpo stesso. In effetti, tutte le analogie elettromeccaniche si estendono abbastanza lontano e si riferiscono non solo all'induttanza e alla massa, ma anche ad altri indicatori che non sono estremamente utili nella pratica.
La realizzazione dell'unità e della costanza delle relazioni elettriche e magnetiche divenne il primo esempio confermato della teoria dell'unificazione delle interazioni fisiche. Oggi è stato dimostrato che l'elettrodinamica e le interazioni deboli alle alte energie si combinano in un unico processo.
