Michael Faraday(Angličtina) Michael Faraday, 22. september 1791, Londýn – 25. august 1867, Londýn) – anglický experimentálny fyzik a chemik. Člen Londýna
Kráľovská spoločnosť (1824) a mnohé ďalšie vedecké organizácie vrátane zahraničného čestného člena Petrohradskej akadémie vied (1830).
Objavili elektromagnetickú indukciu, ktorá je základom modernej priemyselnej výroby elektriny a mnohých jej aplikácií. Vytvoril prvý model elektromotora. Medzi jeho ďalšie objavy patrí prvý transformátor, chemický účinok prúdu, zákony elektrolýzy, vplyv magnetického poľa na svetlo a diamagnetizmus. Ako prvý predpovedal elektromagnetické vlny. Faraday zaviedol do vedeckého používania pojmy ión, katóda, anóda, elektrolyt, dielektrikum, diamagnetizmus, paramagnetizmus atď.
Faraday je zakladateľom doktríny elektromagnetického poľa, ktorú potom matematicky sformuloval a rozvinul Maxwell. Hlavným Faradayovým ideologickým príspevkom k fyzike elektromagnetických javov bolo odmietnutie Newtonovho princípu pôsobenia na veľké vzdialenosti a zavedenie konceptu fyzikálneho poľa – súvislej oblasti priestoru, úplne vyplnenej siločiarami a interagujúcej s hmotou.
Lorentz je známy najmä svojou prácou v oblasti elektrodynamiky a optiky. Spojením konceptu spojitého elektromagnetického poľa s myšlienkou diskrétnych elektrických nábojov, ktoré tvoria hmotu, vytvoril klasickú elektronickú teóriu a aplikoval ju na riešenie mnohých konkrétnych problémov: získal výraz pre silu pôsobiacu na pohybujúci sa náboj z elektromagnetického poľa (Lorentzova sila) a odvodený vzorec spájajúci index lomu látky s jej hustotou (Lorentzov-Lorentzov vzorec), vyvinul teóriu rozptylu svetla, vysvetlil množstvo magnetooptických javov (najmä Zeemanov jav). ) a niektoré vlastnosti kovov. Na základe elektronickej teórie vedec vyvinul elektrodynamiku pohybujúcich sa médií vrátane predloženia hypotézy o kontrakcii telies v smere ich pohybu (Fitzgerald - Lorentzova kontrakcia), zaviedol koncept „miestneho času“, získal relativistický výraz. pre závislosť hmotnosti od rýchlosti a odvodené vzťahy medzi súradnicami a časom v inerciálnych referenčných sústavách pohybujúcich sa voči sebe navzájom (Lorentzove transformácie). Lorentzova práca prispela k formovaniu a rozvoju myšlienok špeciálnej teórie relativity a kvantovej fyziky. Okrem toho získal množstvo významných výsledkov v termodynamike a kinetickej teórii plynov, všeobecnej teórii relativity a teórii tepelného žiarenia.
Predpovedal tiež „kvantovú teleportáciu“ a predpovedal a zmeral Einstein-de Haasov gyromagnetický efekt. Od roku 1933 pracoval na problémoch kozmológie a jednotnej teórie poľa. Aktívne vystupoval proti vojne, proti použitiu jadrových zbraní, za humanizmus, rešpektovanie ľudských práv a vzájomné porozumenie medzi národmi.
Einstein zohral rozhodujúcu úlohu pri popularizácii a zavádzaní nových fyzikálnych konceptov a teórií do vedeckého obehu. V prvom rade sa to týka revízie chápania fyzikálnej podstaty priestoru a času a konštrukcie novej teórie gravitácie, ktorá nahradí newtonovskú teóriu. Einstein tiež spolu s Planckom položil základy kvantovej teórie. Tieto koncepty, opakovane potvrdené experimentmi, tvoria základ modernej fyziky.
Plán:
- Úvod
- 1 Základné pojmy
- 2 Základné rovnice
- 3 Obsah elektrodynamiky
- 4 Úseky elektrodynamiky
- 5 Hodnota aplikácie
- 6 História
Úvod
Elektrodynamika- odvetvie fyziky, ktoré študuje elektromagnetické pole v najvšeobecnejšom prípade (to znamená, že sa uvažuje o časovo závislých premenných poliach) a jeho interakcii s telesami, ktoré majú elektrický náboj (elektromagnetická interakcia). Do predmetu elektrodynamika patrí súvislosť medzi elektrickými a magnetickými javmi, elektromagnetické žiarenie (v rôznych podmienkach, voľné aj v rôznych prípadoch interakcie s hmotou), elektrický prúd (všeobecne povedané premenlivý) a jeho interakcia s elektromagnetickým poľom (elektrický prúd). možno považovať, keď je to ako súbor pohybujúcich sa nabitých častíc). Akákoľvek elektrická a magnetická interakcia medzi nabitými telesami sa v modernej fyzike považuje za prebiehajúcu prostredníctvom elektromagnetického poľa, a preto je tiež predmetom elektrodynamiky.
Najčastejšie pod pojmom elektrodynamikaštandardne sa rozumie klasická (neovplyvňujúca kvantové efekty) elektrodynamika; Na označenie modernej kvantovej teórie elektromagnetického poľa a jeho interakcie s nabitými časticami sa zvyčajne používa stabilný pojem kvantová elektrodynamika.
1. Základné pojmy
Medzi základné pojmy používané v elektrodynamike patria:
- Elektromagnetické pole je hlavným predmetom štúdia elektrodynamiky, druhu hmoty, ktorá sa prejavuje pri interakcii s nabitými telesami. Historicky rozdelené do dvoch oblastí:
- Elektrické pole - vytvorené akýmkoľvek nabitým telesom alebo striedavým magnetickým poľom, má vplyv na každé nabité teleso.
- Magnetické pole - vytvorené pohybom nabitých telies, nabitých telies so spinom a striedavých elektrických polí, ovplyvňuje pohybujúce sa náboje a nabité telesá so spinom.
- Elektrický náboj je vlastnosťou telies, ktorá im umožňuje vytvárať elektromagnetické polia, ako aj interagovať s týmito poľami.
- Elektromagnetický potenciál je 4-vektorová fyzikálna veličina, ktorá úplne určuje rozloženie elektromagnetického poľa v priestore. Zlatý klinec:
- Elektrostatický potenciál - časová zložka 4-vektora
- Vektorový potenciál je trojrozmerný vektor tvorený zvyšnými zložkami 4-vektora.
- Poyntingov vektor je vektorová fyzikálna veličina, ktorá má význam hustoty energetického toku elektromagnetického poľa.
2. Základné rovnice
Základné rovnice popisujúce správanie sa elektromagnetického poľa a jeho interakciu s nabitými telesami sú:
- Maxwellove rovnice, ktoré určujú správanie sa voľného elektromagnetického poľa vo vákuu a prostredí, ako aj generovanie poľa zdrojmi. Medzi tieto rovnice patrí:
- Faradayov indukčný zákon, ktorý určuje vznik elektrického poľa striedavým magnetickým poľom.
- Teorém cirkulácie magnetického poľa s pridaním posuvných prúdov zavedený Maxwellom určuje generovanie magnetického poľa pohybom nábojov a striedavým elektrickým poľom.
- Gaussova veta pre elektrické pole, ktorá určuje generovanie elektrostatického poľa nábojmi.
- Zákon uzavretia magnetických siločiar.
- Výraz pre Lorentzovu silu, ktorý určuje silu pôsobiacu na náboj nachádzajúci sa v elektromagnetickom poli.
- Joule-Lenzov zákon, ktorý určuje množstvo tepelných strát vo vodivom médiu s konečnou vodivosťou za prítomnosti elektrického poľa v ňom.
Osobitný význam majú tieto rovnice:
- Coulombov zákon, ktorý kombinuje Gaussovu vetu pre elektrické pole a Lorentzovu silu a určuje elektrostatickú interakciu dvoch bodových nábojov.
- Ampérov zákon, ktorý určuje silu pôsobiacu na elementárny prúd umiestnený v magnetickom poli.
- Poyntingova veta, ktorá vyjadruje zákon zachovania energie v elektrodynamike.
3. Obsah elektrodynamiky
Hlavnou náplňou klasickej elektrodynamiky je popis vlastností elektromagnetického poľa a jeho interakcie s nabitými telesami (nabité telesá „generujú“ elektromagnetické pole, sú jeho „zdrojmi“ a elektromagnetické pole zasa pôsobí na nabité telesá a vytvára elektromagnetické sily). Tento opis, okrem definovania základných objektov a veličín, ako je elektrický náboj, elektrické pole, magnetické pole, elektromagnetický potenciál, je redukovaný na Maxwellove rovnice v tej či onej forme a Lorentzov vzorec sily a dotýka sa aj niektorých súvisiacich problémov ( súvisiace s matematickou fyzikou, aplikácie, pomocné veličiny a pomocné vzorce dôležité pre aplikácie, ako je vektor prúdovej hustoty alebo empirický Ohmov zákon). Tento popis zahŕňa aj problematiku zachovania a prenosu energie, hybnosti, momentu hybnosti elektromagnetickým poľom, vrátane vzorcov pre hustotu energie, Poyntingov vektor atď.
Niekedy sa elektrodynamické efekty (na rozdiel od elektrostatiky) chápu ako tie významné rozdiely medzi všeobecným prípadom správania sa elektromagnetického poľa (napríklad dynamický vzťah medzi meniacimi sa elektrickými a magnetickými poľami) a statickým prípadom, ktoré spôsobujú, že statický prípad je oveľa jednoduchšie opísať, pochopiť a vypočítať.
4. Úseky elektrodynamiky
- Elektrostatika popisuje vlastnosti statického (s časom sa nemenia alebo sa menia dostatočne pomaly, aby bolo možné zanedbať „elektrodynamické efekty“ v zmysle popísanom vyššie) elektrického poľa a jeho interakciu s elektricky nabitými telesami (elektrické náboje).
- Magnetostatika študuje jednosmerné prúdy a konštantné magnetické polia (polia sa v čase nemenia alebo sa menia tak pomaly, že rýchlosť týchto zmien možno pri výpočte zanedbať), ako aj ich vzájomné pôsobenie.
- Elektrodynamika kontinua skúma správanie elektromagnetických polí v spojitých médiách.
- Relativistická elektrodynamika uvažuje o elektromagnetických poliach v pohybujúcich sa médiách.
5. Aplikačná hodnota
Elektrodynamika je základom fyzikálnej optiky, fyziky šírenia rádiových vĺn a tiež preniká takmer do celej fyziky, keďže takmer všetky odvetvia fyziky sa musia zaoberať elektrickými poľami a nábojmi a často aj ich netriviálnymi rýchlymi zmenami a pohybmi. Okrem toho je elektrodynamika príkladnou fyzikálnou teóriou (vo svojej klasickej aj kvantovej verzii), ktorá spája veľmi vysokú presnosť výpočtov a predpovedí s vplyvom teoretických myšlienok zrodených v jej odbore na iné oblasti teoretickej fyziky.
Elektrodynamika má veľký význam v technike a tvorí základ: rádiotechniky, elektrotechniky, rôznych odvetví spojov a rádia.
6. História
Prvým dôkazom spojenia medzi elektrickými a magnetickými javmi bol Oerstedov experimentálny objav v rokoch 1819-1820 generovania magnetického poľa elektrickým prúdom. Vyjadril tiež myšlienku určitej interakcie elektrických a magnetických procesov v priestore okolo vodiča, ale v dosť nejasnej forme.
V roku 1831 Michael Faraday experimentálne objavil jav a zákon elektromagnetickej indukcie, ktorý sa stal prvým jasným dôkazom priameho dynamického vzťahu elektrických a magnetických polí. Rozvinul tiež (vo vzťahu k elektrickým a magnetickým poliam) základy pojmu fyzikálne pole a niektoré základné teoretické pojmy, ktoré umožňujú opísať fyzikálne polia, a tiež v roku 1832 predpovedal existenciu elektromagnetických vĺn.
V roku 1864 J. C. Maxwell prvýkrát publikoval úplný systém rovníc „klasickej elektrodynamiky“ popisujúcich vývoj elektromagnetického poľa a jeho interakciu s nábojmi a prúdmi. Vychádzal z teoreticky podloženého predpokladu, že svetlo je elektromagnetické vlnenie, t.j. objekt elektrodynamiky.
ZÁKLADY ELEKTRODYNAMIE. ELEKTROSTATIKA
ZÁKLADY ELEKTRODYNAMIE
Elektrodynamika- náuka o vlastnostiach elektromagnetického poľa.
Elektromagnetické pole- určený pohybom a interakciou nabitých častíc.
Prejav elektrického/magnetického poľa- toto je pôsobenie elektrických/magnetických síl:
1) trecie sily a elastické sily v makrokozme;
2) pôsobenie elektrických/magnetických síl v mikrokozme (atómová štruktúra, spájanie atómov do molekúl,
transformácia elementárnych častíc)
Objav elektrického/magnetického poľa- J. Maxwell.
ELEKTROSTATIKA
Odvetvie elektrodynamiky študuje elektricky nabité telesá v pokoji.
Elementárne častice môže mať email náboj, potom sa nazývajú nabité;
- interagujú navzájom silami, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami,
ale mnohonásobne prevyšujú sily vzájomnej gravitácie (táto interakcia sa nazýva
elektromagnetické).
Email poplatok- fyzický hodnota určuje intenzitu elektrických/magnetických interakcií.
Existujú 2 znaky elektrických nábojov: kladné a záporné.
Častice s podobnými nábojmi sa odpudzujú a častice s odlišnými nábojmi sa priťahujú.
Protón má kladný náboj, elektrón záporný náboj a neutrón je elektricky neutrálny.
Základný poplatok- minimálny poplatok, ktorý nemožno rozdeliť.
Ako môžeme vysvetliť prítomnosť elektromagnetických síl v prírode?
- Všetky telesá obsahujú nabité častice.
V normálnom stave tela je el. neutrálny (keďže atóm je neutrálny) a elektrický/magnetický. právomoci sa neprejavujú.
Telo je nabité, ak má prebytok poplatkov akéhokoľvek znamenia:
negatívne nabité - ak je prebytok elektrónov;
kladne nabitý – ak je nedostatok elektrónov.
Elektrifikácia tiel- to je jeden zo spôsobov, ako získať nabité telesá napríklad kontaktom).
V tomto prípade sú obe telesá nabité a náboje majú opačné znamienko, ale rovnakú veľkosť.
Zákon zachovania elektrického náboja.
V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený.
(... ale nie počet nabitých častíc, keďže dochádza k premenám elementárnych častíc).
Uzavretý systém
Systém častíc, do ktorých nabité častice nevstupujú zvonku a nevystupujú.
Coulombov zákon
Základný zákon elektrostatiky.
Sila interakcie medzi dvoma bodovými stacionárnymi nabitými telesami vo vákuu je priamo úmerná
súčin nábojových modulov a je nepriamo úmerný druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
Kedy telesá sa považujú za bodové telesá? - ak je vzdialenosť medzi nimi mnohonásobne väčšia ako veľkosť telies.
Ak majú dve telesá elektrický náboj, potom interagujú podľa Coulombovho zákona.
Jednotka elektrického náboja
1C je náboj, ktorý pri prúde 1A prejde prierezom vodiča za 1 sekundu.
1 C je veľmi veľký náboj.
Elementárny náboj:
ELEKTRICKÉ POLE
Okolo je elektrický náboj, materiálne.
Hlavná vlastnosť elektrického poľa: pôsobenie sily na elektrický náboj, ktorý je do neho vložený.
Elektrostatické pole- pole stacionárneho elektrického náboja sa časom nemení.
Intenzita elektrického poľa.- kvantitatívne charakteristiky el. poliach.
je pomer sily, ktorou pole pôsobí na vnesený bodový náboj, k veľkosti tohto náboja.
- nezávisí od veľkosti vneseného náboja, ale charakterizuje elektrické pole!
Smer vektora napätia
sa zhoduje so smerom vektora sily pôsobiaceho na kladný náboj a je opačný ako smer sily pôsobiacej na záporný náboj.
Sila poľa bodového náboja:
kde q0 je náboj vytvárajúci elektrické pole.
V ktoromkoľvek bode poľa je intenzita vždy nasmerovaná pozdĺž priamky spájajúcej tento bod a q0.
ELEKTRICKÁ KAPACITA
Charakterizuje schopnosť dvoch vodičov akumulovať elektrický náboj.
- nezávisí od q a U.
- závisí od geometrických rozmerov vodičov, ich tvaru, vzájomnej polohy, elektrických vlastností prostredia medzi vodičmi.
Jednotky SI: (F - farad)
KONDENZÁTORY
Elektrické zariadenie, ktoré uchováva náboj
(dva vodiče oddelené dielektrickou vrstvou).
Kde d je oveľa menšie ako rozmery vodiča.
Označenie na elektrických schémach:
Celé elektrické pole je sústredené vo vnútri kondenzátora.
Nabitie kondenzátora je absolútna hodnota náboja na jednej z dosiek kondenzátora.
Typy kondenzátorov:
1. podľa druhu dielektrika: vzduchové, sľudové, keramické, elektrolytické
2. podľa tvaru platničiek: ploché, guľovité.
3. podľa kapacity: konštantná, variabilná (nastaviteľná).
Elektrická kapacita plochého kondenzátora
kde S je plocha dosky (pokovovania) kondenzátora
d - vzdialenosť medzi doskami
eo - elektrická konštanta
e - dielektrická konštanta dielektrika
Vrátane kondenzátorov v elektrickom obvode
paralelný
sekvenčné
Potom celková elektrická kapacita (C):
pri paralelnom zapojení
. 
pri zapojení do série
DC AC PRIPOJENIE
Elektrina- usporiadaný pohyb nabitých častíc (voľné elektróny alebo ióny).
V tomto prípade sa elektrina prenáša cez prierez vodiča. náboj (pri tepelnom pohybe nabitých častíc je celkový prenesený elektrický náboj = 0, keďže kladné a záporné náboje sú kompenzované).
Smer e-mailom prúd- konvenčne sa uznáva smer pohybu kladne nabitých častíc (od + do -).
E-mailové akcie prúd (vo vodiči):
tepelný účinok prúdu- ohrev vodiča (okrem supravodičov);
chemický účinok prúdu - objavuje sa len v elektrolytoch.Látky tvoriace elektrolyt sa uvoľňujú na elektródach;
magnetický účinok prúdu(hlavný) - pozorovaný vo všetkých vodičoch (vychýlenie magnetickej strelky v blízkosti vodiča s prúdom a silový účinok prúdu na susedné vodiče cez magnetické pole).
OHMOV ZÁKON PRE OBVODOVÝ ÚSEK
kde , R je odpor časti obvodu. (za časť obvodu možno považovať aj samotný vodič).
Každý vodič má svoju špecifickú charakteristiku prúdového napätia.
ODPOR
Základné elektrické charakteristiky vodiča.
- podľa Ohmovho zákona je táto hodnota pre daný vodič konštantná.
1 Ohm je odpor vodiča s rozdielom potenciálov na jeho koncoch
pri 1 V a prúdová sila v ňom je 1 A.
Odpor závisí iba od vlastností vodiča:
kde S je plocha prierezu vodiča, l je dĺžka vodiča,
ro - rezistivita charakterizujúca vlastnosti vodivej látky.
ELEKTRICKÉ OBVODY
Pozostávajú zo zdroja, spotrebiča elektrického prúdu, vodičov a spínača.
SÉRIOVÉ ZAPOJENIE VODIČOV
I - sila prúdu v obvode
U - napätie na koncoch časti obvodu
PARALELNÉ ZAPOJENIE VODIČOV
I - sila prúdu v nerozvetvenej časti obvodu
U - napätie na koncoch časti obvodu
R - celkový odpor časti obvodu
Pamätajte, ako sú pripojené meracie prístroje:
Ampérmeter - zapojený do série s vodičom, v ktorom sa meria prúd.
Voltmeter - zapojený paralelne k vodiču, na ktorom sa meria napätie.
PREVÁDZKA DC
Aktuálna práca- ide o prácu elektrického poľa na prenos elektrických nábojov pozdĺž vodiča;
Práca vykonaná prúdom na časti obvodu sa rovná súčinu prúdu, napätia a času, počas ktorého bola práca vykonaná.
Pomocou vzorca Ohmovho zákona pre časť obvodu môžete napísať niekoľko verzií vzorca na výpočet práce prúdu:
Podľa zákona zachovania energie:
Práca sa rovná zmene energie časti obvodu, takže energia uvoľnená vodičom sa rovná práci prúdu.
V sústave SI:
JOULE-LENZOV ZÁKON
Pri prechode prúdu vodičom sa vodič zahrieva a dochádza k výmene tepla s okolím, t.j. vodič odovzdáva teplo okolitým telesám.
Množstvo tepla, ktoré vodič prenášajúci prúd do okolia uvoľní, sa rovná súčinu druhej mocniny sily prúdu, odporu vodiča a času, keď prúd prechádza vodičom.
Podľa zákona zachovania energie sa množstvo tepla uvoľneného vodičom numericky rovná práci, ktorú vykoná prúd pretekajúci vodičom za rovnaký čas.
V sústave SI:
[Q] = 1 J
DC POWER
Pomer práce vykonanej prúdom za čas t k tomuto časovému intervalu.
V sústave SI:
Fenomén supravodivosti
Objav nízkoteplotnej supravodivosti:
1911 - Holandský vedec Kamerling - Onnes
pozorované pri ultranízkych teplotách (pod 25 K) v mnohých kovoch a zliatinách;
Pri takýchto teplotách je odpor týchto látok mizivo malý.
V roku 1957 bolo podané teoretické vysvetlenie fenoménu supravodivosti:
Cooper (USA), Bogolyubov (ZSSR)
1957 Collinsov experiment: prúd v uzavretom okruhu bez zdroja prúdu sa nezastavil 2,5 roka.
V roku 1986 bola objavená vysokoteplotná supravodivosť (pri 100 K) (pre kovokeramiku).
Ťažkosti s dosiahnutím supravodivosti:
- potreba silného chladenia látky
Oblasť použitia:
- získanie silných magnetických polí;
- výkonné elektromagnety so supravodivým vinutím v urýchľovačoch a generátoroch.
V súčasnosti v sektore energetiky existuje veľký problém
- veľké straty elektriny pri prenose ju drôtom.
Možné riešenie Problémy:
pri supravodivosti je odpor vodičov približne 0
a straty energie sa výrazne znížia.
Látka s najvyššou supravodivou teplotou
V roku 1988 sa v USA pri teplote –148°C dosiahol fenomén supravodivosti. Vodič bola zmesou oxidov tália, vápnika, bária a medi - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.
Polovodič -
Látka, ktorej rezistivita sa môže meniť v širokom rozsahu a s rastúcou teplotou veľmi rýchlo klesá, čo znamená, že elektrická vodivosť (1/R) rastie.
- pozorovaný u kremíka, germánia, selénu a niektorých zlúčenín.
Mechanizmus vedenia v polovodičoch
Polovodičové kryštály majú atómovú kryštálovú mriežku, kde sú vonkajšie elektróny viazané k susedným atómom kovalentnými väzbami.
Pri nízkych teplotách čisté polovodiče nemajú žiadne voľné elektróny a správajú sa ako izolant.
ELEKTRICKÝ PRÚD VO VÁKUU
Čo je vákuum?
- toto je stupeň riedenia plynu, pri ktorom prakticky nedochádza k zrážkam molekúl;
Elektrický prúd nie je možný, pretože možný počet ionizovaných molekúl nemôže poskytnúť elektrickú vodivosť;
- je možné vytvoriť elektrický prúd vo vákuu, ak použijete zdroj nabitých častíc;
- pôsobenie zdroja nabitých častíc môže byť založené na fenoméne termionickej emisie.
Termionická emisia
- ide o emisiu elektrónov tuhými alebo kvapalnými telesami pri ich zahriatí na teploty zodpovedajúce viditeľnej žiare horúceho kovu.
Zahriata kovová elektróda nepretržite vyžaruje elektróny a vytvára okolo seba elektrónový oblak.
V rovnovážnom stave sa počet elektrónov, ktoré opustili elektródu, rovná počtu elektrónov, ktoré sa do nej vrátili (keďže elektróda sa pri strate elektrónov nabije kladne).
Čím vyššia je teplota kovu, tým vyššia je hustota elektrónového oblaku.
Vákuová dióda
Elektrický prúd vo vákuu je možný vo vákuových trubiciach.
Vákuová trubica je zariadenie, ktoré využíva fenomén termionickej emisie.
Vákuová dióda je dvojelektródová (A - anóda a K - katóda) elektrónová trubica.
Vo vnútri sklenenej nádoby sa vytvára veľmi nízky tlak
H - vlákno umiestnené vo vnútri katódy na jej ohrev. Povrch vyhrievanej katódy vyžaruje elektróny. Ak je anóda pripojená k + zdroja prúdu a katóda je pripojená k -, potom obvod preteká
konštantný termionický prúd. Vákuová dióda má jednosmernú vodivosť.
Tie. prúd v anóde je možný, ak je anódový potenciál vyšší ako katódový potenciál. V tomto prípade sú elektróny z elektrónového oblaku priťahované k anóde, čím vzniká elektrický prúd vo vákuu.
Prúdová charakteristika vákuovej diódy.
Pri nízkom anódovom napätí nie všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu a elektrický prúd je malý. Pri vysokých napätiach prúd dosiahne saturáciu, t.j. maximálna hodnota.
Na usmernenie striedavého prúdu sa používa vákuová dióda.
Prúd na vstupe diódového usmerňovača:
Výstupný prúd usmerňovača:
Elektrónové lúče
Ide o prúd rýchlo letiacich elektrónov vo vákuových trubiciach a plynových výbojkách.
Vlastnosti elektrónových lúčov:
Odchylky v elektrických poliach;
- vychýliť sa v magnetických poliach pod vplyvom Lorentzovej sily;
- keď sa lúč dopadajúci na látku spomalí, objaví sa röntgenové žiarenie;
- spôsobuje žiaru (luminiscenciu) niektorých pevných látok a kvapalín (luminofóry);
- zahriať látku dotykom.
Katódová trubica (CRT)
Využívajú sa termoionické emisné javy a vlastnosti elektrónových lúčov.
CRT sa skladá z elektrónovej pištole, horizontálnych a vertikálnych deflektorov
elektródové dosky a sito.
V elektrónovom dele prechádzajú elektróny emitované vyhrievanou katódou cez elektródu riadiacej mriežky a sú urýchľované anódami. Elektrónové delo zaostruje elektrónový lúč do bodu a mení jas svetla na obrazovke. Vychyľovacie vodorovné a zvislé dosky vám umožňujú presunúť elektrónový lúč na obrazovke do ľubovoľného bodu na obrazovke. Obrazovka trubice je potiahnutá fosforom, ktorý pri bombardovaní elektrónmi začne žiariť.
Existujú dva typy rúr:
1) s elektrostatickým riadením elektrónového lúča (vychýlenie elektrického lúča len elektrickým poľom);
2) s elektromagnetickým ovládaním (sú pridané magnetické vychyľovacie cievky).
Hlavné aplikácie CRT:
Obrazovky v televíznych zariadeniach;
Počítačové displeje;
elektronické osciloskopy v meracej technike.
ELEKTRICKÝ PRÚD V PLYNOCH
Za normálnych podmienok je plyn dielektrikum, t.j. pozostáva z neutrálnych atómov a molekúl a neobsahuje voľné nosiče elektrického prúdu.
Vodivý plyn je ionizovaný plyn. Ionizovaný plyn má elektrónovo-iónovú vodivosť.
Vzduch je dielektrikum v elektrických vedeniach, vzduchových kondenzátoroch a kontaktných spínačoch.
Vzduch je vodič pri vzniku blesku, elektrickej iskry alebo pri vzniku zváracieho oblúka.
Ionizácia plynu
Ide o rozklad neutrálnych atómov alebo molekúl na kladné ióny a elektróny odstránením elektrónov z atómov. Ionizácia nastáva, keď sa plyn zahrieva alebo je vystavený žiareniu (UV, röntgenové žiarenie, rádioaktívne) a vysvetľuje sa rozpadom atómov a molekúl pri zrážkach pri vysokých rýchlostiach.
Výtok plynu
Ide o elektrický prúd v ionizovaných plynoch.
Nosičmi náboja sú kladné ióny a elektróny. Výboj plynu sa pozoruje v plynových výbojkách (lampy), keď je vystavený elektrickému alebo magnetickému poľu.
Rekombinácia nabitých častíc
- plyn prestáva byť vodičom, ak sa ionizácia zastaví, k tomu dochádza v dôsledku rekombinácie (znovu spojenie opačne nabitých častíc).
Existuje samoudržateľný a nesamosprávny výboj plynu.
Nesamostatný výboj plynu
Ak sa zastaví činnosť ionizátora, zastaví sa aj výboj.
Keď výboj dosiahne saturáciu, graf sa stane vodorovným. Tu je elektrická vodivosť plynu spôsobená len pôsobením ionizátora.
Samostatný výboj plynu
V tomto prípade výboj plynu pokračuje aj po ukončení externého ionizátora v dôsledku iónov a elektrónov vznikajúcich pri nárazovej ionizácii (= ionizácia elektrického šoku); nastáva vtedy, keď sa rozdiel potenciálov medzi elektródami zväčšuje (nastáva lavína elektrónov).
Nesamostatný plynový výboj sa môže premeniť na autonómny plynový výboj, keď Ua = Uignition.
Elektrický rozpad plynu
Proces prechodu nesamostatného výboja plynu na autonómny.
Dochádza k samovoľnému vypúšťaniu plynu 4 druhy:
1. tlenie - pri nízkych tlakoch (do niekoľkých mm Hg) - pozorované v plynových trubiciach a plynových laseroch.
2. iskra - pri normálnom tlaku a vysokej intenzite elektrického poľa (blesk - sila prúdu až státisíce ampérov).
3. koróna - pri normálnom tlaku v nerovnomernom elektrickom poli (na hrote).
4. oblúk - vysoká prúdová hustota, nízke napätie medzi elektródami (teplota plynu v oblúkovom kanáli -5000-6000 stupňov Celzia); pozorované v reflektoroch a projekčných filmových zariadeniach.
Pozorujú sa tieto výboje:
tlenie - v žiarivkách;
iskra - v blesku;
koróna - v elektrických odlučovačoch, pri úniku energie;
oblúk - pri zváraní, v ortuťových lampách.
Plazma
Toto je štvrtý stav agregácie látky s vysokým stupňom ionizácie v dôsledku zrážky molekúl vysokou rýchlosťou pri vysokej teplote; vyskytujúce sa v prírode: ionosféra – slabo ionizovaná plazma, Slnko – plne ionizovaná plazma; umelá plazma - v plynových výbojkách.
Plazma môže byť:
Nízka teplota - pri teplotách nižších ako 100 000 K;
vysoká teplota - pri teplotách nad 100 000 K.
Základné vlastnosti plazmy:
Vysoká elektrická vodivosť
- silná interakcia s vonkajšími elektrickými a magnetickými poľami.
Pri teplote 
Akákoľvek látka je v plazmatickom stave.
Zaujímavé je, že 99 % hmoty vo vesmíre tvorí plazma
TESTOVACIE OTÁZKY NA TESTOVANIE
Definícia 1
Elektrodynamika je obrovská a dôležitá oblasť fyziky, ktorá študuje klasické, nekvantové vlastnosti elektromagnetického poľa a pohyb kladne nabitých magnetických nábojov, ktoré spolu interagujú pomocou tohto poľa.
Obrázok 1. Stručne o elektrodynamike. Author24 - online výmena študentských prác
Elektrodynamika sa javí ako široká škála rôznych formulácií problémov a ich inteligentných riešení, približných metód a špeciálnych prípadov, ktoré sú spojené do jedného celku všeobecnými počiatočnými zákonmi a rovnicami. Posledne menované, ktoré tvoria hlavnú časť klasickej elektrodynamiky, sú podrobne uvedené v Maxwellových vzorcoch. V súčasnosti vedci pokračujú v štúdiu princípov tejto oblasti vo fyzike, kostry jej konštrukcie, vzťahov s inými vedeckými oblasťami.
Coulombov zákon v elektrodynamike označujeme takto: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, kde $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Rovnica intenzity elektrického poľa je napísaná takto: $E= \frac (F)(q)$ a tok vektora indukcie magnetického poľa $∆Ф=В∆S \cos (a)$.
V elektrodynamike sa študujú predovšetkým voľné náboje a systémy nábojov, ktoré prispievajú k aktivácii spojitého energetického spektra. Klasický popis elektromagnetickej interakcie je uprednostňovaný tým, že je účinný už v nízkoenergetickej hranici, kedy je energetický potenciál častíc a fotónov malý v porovnaní s pokojovou energiou elektrónu.
V takýchto situáciách často nedochádza k anihilácii nabitých častíc, pretože dochádza len k postupnej zmene stavu ich nestabilného pohybu v dôsledku výmeny veľkého počtu nízkoenergetických fotónov.
Poznámka 1
Avšak aj pri vysokých energiách častíc v prostredí, napriek významnej úlohe fluktuácií, možno elektrodynamiku úspešne využiť na komplexný popis štatisticky priemerných, makroskopických charakteristík a procesov.
Základné rovnice elektrodynamiky
Hlavnými vzorcami, ktoré opisujú správanie elektromagnetického poľa a jeho priamu interakciu s nabitými telesami, sú Maxwellove rovnice, ktoré určujú pravdepodobné pôsobenie voľného elektromagnetického poľa v médiu a vákuu, ako aj všeobecnú tvorbu poľa zdrojmi.
Medzi týmito ustanoveniami vo fyzike je možné zdôrazniť:
- Gaussova veta pre elektrické pole – určená na určenie generovania elektrostatického poľa kladnými nábojmi;
- hypotéza uzavretých siločiar – podporuje interakciu procesov v rámci samotného magnetického poľa;
- Faradayov zákon indukcie – zakladá vznik elektrických a magnetických polí premenlivými vlastnosťami prostredia.
Vo všeobecnosti je Ampere-Maxwellova veta unikátnou myšlienkou o cirkulácii čiar v magnetickom poli s postupným pridávaním posuvných prúdov zavedených samotným Maxwellom, ktorá presne určuje transformáciu magnetického poľa pohybom nábojov a striedavým pôsobením elektrické pole.
Náboj a sila v elektrodynamike
V elektrodynamike interakcia sily a náboja elektromagnetického poľa vychádza z nasledujúcej spoločnej definície elektrického náboja $q$, energie $E$ a magnetických polí $B$, ktoré sú ustanovené ako základný fyzikálny zákon založený na celom súbor experimentálnych údajov. Vzorec pre Lorentzovu silu (v rámci idealizácie bodového náboja pohybujúceho sa určitou rýchlosťou) je napísaný s nahradením rýchlosti $v$.
Vodiče často obsahujú veľké množstvo nábojov, preto sú tieto náboje pomerne dobre kompenzované: počet kladných a záporných nábojov je vždy rovnaký. V dôsledku toho je celková elektrická sila, ktorá neustále pôsobí na vodič, tiež nulová. Magnetické sily pôsobiace na jednotlivé náboje vo vodiči v konečnom dôsledku nie sú kompenzované, pretože v prítomnosti prúdu sú rýchlosti pohybu nábojov vždy odlišné. Rovnicu pre pôsobenie vodiča s prúdom v magnetickom poli možno napísať takto: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $
Ak neštudujeme kvapalinu, ale plný a stabilný tok nabitých častíc ako prúd, potom celý energetický potenciál prechádzajúci lineárne cez oblasť po dobu $1s$ bude mať silu prúdu rovnajúcu sa: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, kde $ρ$ je hustota náboja (na jednotku objemu v celkovom prietoku).
Poznámka 2
Ak sa magnetické a elektrické pole systematicky mení z bodu do bodu na konkrétnom mieste, potom vo výrazoch a vzorcoch pre čiastkové toky, ako v prípade kvapaliny, priemerné hodnoty $E ⃗ $ a $B ⃗$ na musí byť zadaná lokalita.
Osobitné postavenie elektrodynamiky vo fyzike
Významné postavenie elektrodynamiky v modernej vede možno potvrdiť prostredníctvom slávneho diela A. Einsteina, v ktorom boli podrobne načrtnuté princípy a základy špeciálnej teórie relativity. Vedecká práca vynikajúceho vedca sa nazýva „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ a obsahuje obrovské množstvo dôležitých rovníc a definícií.
Ako samostatná oblasť fyziky pozostáva elektrodynamika z nasledujúcich sekcií:
- náuka o poli stacionárnych, ale elektricky nabitých fyzických telies a častíc;
- náuka o vlastnostiach elektrického prúdu;
- doktrína interakcie magnetického poľa a elektromagnetickej indukcie;
- štúdium elektromagnetických vĺn a oscilácií.
Všetky vyššie uvedené časti spája do jedného teorém D. Maxwella, ktorý nielenže vytvoril a predložil ucelenú teóriu elektromagnetického poľa, ale opísal aj všetky jeho vlastnosti, dokazujúce jeho skutočnú existenciu. Práca tohto konkrétneho vedca ukázala vedeckému svetu, že v tom čase známe elektrické a magnetické polia sú len prejavom jediného elektromagnetického poľa pôsobiaceho v rôznych referenčných systémoch.
Významná časť fyziky je venovaná štúdiu elektrodynamiky a elektromagnetických javov. Táto oblasť si do značnej miery robí nárok na štatút samostatnej vedy, pretože nielenže skúma všetky vzorce elektromagnetických interakcií, ale ich aj podrobne popisuje prostredníctvom matematických vzorcov. Hlboký a dlhodobý výskum v elektrodynamike otvoril nové cesty využitia elektromagnetických javov v praxi, v prospech celého ľudstva.
Definícia 1
Elektrodynamika je oblasť fyziky, ktorá študuje základné premenné elektromagnetického poľa a ich interakciu.
Klasická elektrodynamika popisuje všetky vlastnosti elektromagnetického poľa a princípy jeho vzťahu s inými fyzikálnymi prvkami, ktoré nesú určitý elektrický náboj. Túto akciu je možné určiť pomocou Maxwellových rovníc a Lorentzovho vyjadrenia sily. V tomto prípade sa vždy používajú tieto hlavné pojmy elektrodynamiky: elektromagnetické pole, elektromagnetický potenciál, elektrický náboj a Poyntingov vektor.
Medzi hlavné časti tohto smeru vo fyzike patria:
- magnetostatika;
- elektrostatika;
- elektrodynamika spojitého média.
Základom optiky ako vedného odboru je elektrodynamika vo forme fyziky rádiových vĺn. Tento vedecký smer sa považuje za základ elektrotechniky a rádiového inžinierstva.
Nabíjačka
Elektromagnetické interakcie patria medzi najdôležitejšie aktivity v prírode. Sily pružnosti a trenia, tlak plynu a kvapaliny možno zredukovať na jediný indikátor elektromagnetickej sily medzi prvkami hmoty. Samotné interakcie v elektrodynamike sa už nemôžu vytvárať v hlbších formách interakcií.
Poznámka 1
Rovnakým základným typom komplementarity je gravitácia – gravitačná a konštantná príťažlivosť dvoch fyzických tiel.
Medzi gravitačnými a elektromagnetickými procesmi však možno pozorovať niekoľko dôležitých rozdielov:
- Len nabité telesá sa môžu zúčastniť elektromagnetických interakcií;
- gravitačné spojenie je vždy systematické priťahovanie jedného tela k druhému;
- elektromagnetické vzťahy môžu byť buď odpudzovanie alebo príťažlivosť;
- interakcia v elektrodynamike je oveľa intenzívnejšia ako gravitačná interakcia;
- Každé nabité teleso má určité množstvo elektrického náboja.
Definícia 2
Elektrický náboj je špecifická fyzikálna veličina, ktorá presnejšie určuje silu elektromagnetickej interakcie medzi prírodou a predmetmi, ktorej mernou jednotkou je coulomb (C)1.
Elektrické pole
Teória interakcie krátkeho dosahu prevládala nad predtým navrhnutými hypotézami vedcov, v dôsledku čoho sa elektromagnetické pole ukázalo ako hlavný objekt, ktorý plne prenáša interakciu medzi nábojmi aj cez vákuum. Rozhodujúce v tejto oblasti boli diela a diela dvoch slávnych vedcov 19. storočia – Faradaya a Maxwella. Fyzikom sa experimentálnym potvrdením ich tvrdení podarilo objaviť princíp fungovania elektrického poľa.
Pevné náboje nemôžu vytvárať magnetické pole, preto je v tomto aspekte potrebné hovoriť iba o vlastnostiach samotného elektrického poľa.
Hlavné charakteristiky poľa v elektrodynamike sú teda:
- elektrický náboj môže okolo seba vytvoriť silné pole;
- elektrodynamika nevyžaduje žiadne špecifické médium a môže vzniknúť v hmote a vo vákuu, je to dobrá alternatívna forma existencie pre všetku hmotu;
- Elektrické pole je primárny fyzikálny objekt, ktorý stanovuje zákony správania sa dynamiky procesov v elektrickom obvode.
Za zdroje elektrického poľa sa považujú konštantné elektrické náboje a indikátorom na štúdium tohto javu je takzvaný testovací náboj. Pôsobením tejto látky možno posúdiť prítomnosť elektrického poľa v určitom priestore. Okrem toho je možné pomocou testovacieho náboja určiť intenzitu poľa v rôznych sférach jeho interakcie. Prirodzene, tento prvok v elektrodynamike musí byť bodový a konštantný.
Podľa vedcov je sila, ktorá ovplyvňuje testovací náboj v elektrickom poli, absolútne úmerná veľkosti celkového náboja. Preto pomer intenzity k toku energie už nezávisí od indexu náboja a je jednou z vlastností poľa.
Intenzita elektrického poľa je vzťah medzi vektorom sily $\vec (F)$, ktorým elektromagnetické pole pôsobí na testovací náboj $q$, a samotným testovacím nábojom: $((\vec (E))=( \frac (\vec (F))(q)).)$
Napätie látok v poli sa považuje za vektorovú veličinu, kde v každom bode priestoru existuje určitý koeficient testovacieho prvku. Pole je dané, ak je možné určiť závislosť zadaného vektora intenzity od daných súradníc bodu a od času.
Poznámka 2
Ako vyplýva z tejto definície, napätie sa zvyčajne meria v N/kl, ale dnes je možné študovať iba vlastnosti tohto procesu.
Vodiče v elektrickom poli
Elektrický prúd možno ľahko získať, ak sú póly batérie skratované kovovým drôtom, ale ak je drôt nahradený obyčajnou sklenenou tyčou, žiadny prúd nevznikne. Kov je hlavným vodičom a sklo pôsobí ako dielektrikum.
Vodiče v elektrodynamike sa líšia od dielektrík v neprítomnosti dodatočných nábojov, nabitých prvkov, ktorých poloha v žiadnom prípade nesúvisí s bodom vo vnútri samotnej látky. Voľné náboje začnú aktívne interagovať pod vplyvom elektrického poľa a môžu sa pohybovať po celom objeme vodiča.
Definícia 3
Vodiče sú predovšetkým kovy, v ktorých sa za absolútne voľné náboje považujú iba voľné elektróny, ktoré vyplývajú zo zvláštností procesu spájania kovov.
Faktom je, že permanentný valenčný elektrón, ktorý sa nachádza na vonkajšom elektrónovom obale atómu kovu, je na atómové jadro naviazaný pomerne slabo. Keď sú atómy kovov prepojené, ich valenčné častice zostávajú bez obalu a „voľne sa vznášajú“.
Ako vodiče v elektrickom poli pôsobia aj elektrolyty, ktorými sú roztoky a taveniny, voľné nanonáboje, v ktorých sa prejavuje disociácia molekúl na kladné a záporné ióny. Ak hodíte štipku kuchynskej soli do pohára obyčajnej vody, molekuly $NaCl$ sa postupne rozložia na kladné ióny $Na^+$ a $Cl^−$. Pod vplyvom elektrického poľa začnú tieto indikátory vytvárať usporiadaný pohyb, výsledkom čoho je elektrický prúd.
Prírodná voda je dobrým vodičom kvôli prítomnosti solí rozpustených v nej, ale nie tak dobrá ako kovy. Každý vie, že ľudské telo pozostáva hlavne z vody, v ktorej sú rozpustené aj určité soli. Preto naše telo funguje aj ako vodič elektrického prúdu.
Stojí za zmienku, že kvôli prítomnosti veľkého množstva voľných nábojov, ktoré sa môžu pohybovať po celom priestorovom objeme, majú vodiče niektoré charakteristické spoločné vlastnosti.
Elektromechanická analógia
Je ľahké si všimnúť určitú analógiu medzi indukčnosťou $L$ v elektrodynamike a hmotnosťou $m$ v mechanike. Je známe, že na úplné zrýchlenie tela na určitú rýchlosť je potrebné stráviť nejaký čas, pretože nie je možné okamžite zmeniť rýchlosť fyzického tela.
Pri konštantnej intenzite aplikovanej na teleso bude tento čas priamo závisieť od hmotnosti $m$ telesa. Aby prúd v cievke dosiahol svoju maximálnu hodnotu, je potrebný čas na vytvorenie indukčnosti $L$ cievky.
Rýchlosť tela sa automaticky zníži, ak sa látky v elektrickom poli zrazia so stacionárnou stenou. Stena unesie celý úder a jej ničivá sila je tým silnejšia, čím väčšia je hmotnosť samotného tela. V skutočnosti všetky elektromechanické analógie siahajú dosť ďaleko a týkajú sa nielen indukčnosti a hmotnosti, ale aj iných indikátorov, ktoré nie sú v praxi mimoriadne užitočné.
Uvedomenie si jednoty a stálosti elektrického a magnetického vzťahu sa stalo prvým potvrdeným príkladom teórie zjednotenia fyzikálnych interakcií. Dnes je dokázané, že elektrodynamika a slabé interakcie pri vysokých energiách sú kombinované v jedinom procese.
