Электродинамика

Визуализациямагнитного полясоленоида

Электродина́мика— разделфизики,изучающийэлектромагнитное полев наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющимиэлектрический заряд(электромагнитное взаимодействие).Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений,электромагнитное излучение(в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействия с веществом),электрический ток(вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся посредством электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под терминомэлектродинамикапо умолчанию понимаетсяклассическаяэлектродинамика, описывающая только непрерывные свойстваэлектромагнитного поляпосредством системыуравнений Максвелла;для обозначения современнойквантовой теорииэлектромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый терминквантовая электродинамика.Термин «электродинамика» ввёлАндре-Мари Ампер,опубликовавший в 1823 году работу «Конспект теории электродинамических явлений».

Основные понятия

Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:

• Электромагнитное поле— это основной предмет изучения электродинамики, видматерии,проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. Исторически разделяется на два поля:
  • Электрическое поле— создаётся любым заряженным телом или переменным магнитным полем, оказывает воздействие на любое заряженное тело.
  • Магнитное поле— создаётся движущимися заряженными телами, заряженными частицами, имеющимиспин,и переменными электрическими полями, оказывает воздействие на движущиеся заряды и заряженные тела, имеющие спин. (Понятие спина вобменном взаимодействиитождественных частиц учитывается в квантовой механике и представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике.)
• Электрический заряд— этосвойствотел, позволяющее им взаимодействовать с электромагнитными полями: создавать эти поля, будучи ихисточниками,и подвергаться (силовому) действию этих полей.
• Электромагнитный потенциал—4-векторнаяфизическая величина,полностью определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве. В трехмерной формулировке электродинамики из него выделяют:
  • Скалярный потенциал— временна́я компонента 4-вектора
  • Векторный потенциал— трёхмерный вектор, образованный оставшимися компонентами 4-вектора.
• Вектор Пойнтинга— векторная физическая величина, имеющая смыслплотности потока энергииэлектромагнитного поля.

Основные уравнения

Основными уравнениями, описывающими поведение электромагнитного поля и его взаимодействие с заряженными телами являются:

• Уравнения Максвелла,определяющие поведение свободного электромагнитного поля в вакууме и среде, а также генерацию поля источниками. Среди этих уравнений можно выделить:
  • Теорема Гаусса(закон Гаусса) для электрического поля, определяющая генерацию электростатического поля зарядами.
  • Закон замкнутости силовых линий магнитного поля (соленоидальностимагнитного поля); он же —закон Гаусса для магнитного поля.
  • Закон индукции Фарадея,определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным полем.
  • Закон Ампера — Максвелла—теорема о циркуляции магнитного поляс добавлениемтоков смещения,введённых Максвеллом, определяет генерацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным электрическим полем.
• Выражение длясилы Лоренца,определяющее силу, действующую на заряд, находящийся в электромагнитном поле.
• Закон Джоуля — Ленца,определяющий величину тепловых потерь в проводящей среде с конечной проводимостью, при наличии в ней электрического поля.

Частными уравнениями, имеющими особое значение являются:

• Закон Кулона— вэлектростатике— закон, определяющий электрическое поле (напряженность и/или потенциал) точечного заряда; также законом Кулона называется и сходная формула, определяющая электростатическое взаимодействие (силу или потенциальную энергию) двух точечных зарядов.
• Закон Био — Савара — Лапласа— вмагнитостатике— основной закон, описывающий порождение магнитного поля током (аналогичен по своей роли в магнитостатике закону Кулона в электростатике).
• Закон Ампера,определяющий силу, действующую на элементарный ток, помещённый в магнитное поле.
• Теорема Пойнтинга,выражающая собойзакон сохранения энергиив электродинамике.
• Закон сохранения заряда.

Содержание электродинамики

Основным содержанием классической электродинамики является описание свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными телами (заряженные тела «порождают» электромагнитное поле, являются его «источниками», а электромагнитное поле в свою очередь действует на заряженные тела, создавая электромагнитные силы). Это описание, кроме определения основных объектов и величин, таких какэлектрический заряд,электрическое поле,магнитное поле,электромагнитный потенциал,сводится куравнениям Максвеллав той или иной форме иформуле силы Лоренца,а также затрагивает некоторые смежные вопросы (относящиеся к математической физике, приложениям, вспомогательным величинам и вспомогательным формулам, важным для приложений, как например векторплотности токаили эмпирическийзакона Ома). Также это описание включает вопросы сохранения и переноса энергии, импульса, момента импульса электромагнитным полем, включая формулы дляплотности энергии,вектора Пойнтингаи т. п.

Иногда под электродинамическими эффектами (в противоположность электростатике) понимают те существенные отличия общего случая поведения электромагнитного поля (например, динамическую взаимосвязь между меняющимися электрическим и магнитным полем) от статического случая, которые делают частный статический случай гораздо более простым для описания, понимания и расчётов.

Специальные разделы электродинамики

• Электростатикаописывает свойства статического (не меняющегося со временем или меняющегося достаточно медленно, чтобы «электродинамическими» эффектами можно было пренебречь, то есть, когда в уравнениях Максвелла можно отбросить, из-за их малости, члены с производными по времени)электрического поляи его взаимодействия с электрически заряженными телами (электрическими зарядами), которые также неподвижны или движутся с достаточно малыми скоростями (или, быть может, если есть и быстро движущиеся заряды, но они достаточно малы по величине), чтобы создаваемые ими поля можно было приближенно рассматривать как статические. Обычно при этом подразумевается и отсутствие (или пренебрежимая малость) магнитных полей.
• Магнитостатикаисследует постоянные токи (и постоянные магниты) и постоянные магнитные поля (поля не меняются во времени или меняются настолько медленно, что быстротой этих изменений в расчёте можно пренебречь), а также их взаимодействие.
• Электродинамика сплошных средрассматривает поведение электромагнитных полей всплошных средах.
• Релятивистская электродинамикарассматривает электромагнитные поля в движущихся средах.

Прикладное значение

Электродинамика лежит в основефизической оптики,физики распространения радиоволн, а также пронизывает практически всю физику, так как почти во всех разделах физики приходится иметь дело с электрическими полями и зарядами, а часто и с их нетривиальными быстрыми изменениями и движениями. Кроме того, электродинамика является образцовой физической теорией (и в классическом и в квантовом своём варианте), сочетающей очень большую точность расчётов и предсказаний с влиянием теоретических идей, родившихся в её области, на другие области теоретической физики.

Электродинамика имеет огромное значение в технике и лежит в основе:радиотехники,электротехники,различных отраслейсвязиирадио.

История

Первым доказательством связи электрических и магнитных явлений стало экспериментальное открытиеЭрстедомв1819—1820порождения магнитного поля электрическим током. Он же высказал идею о некотором взаимодействии электрических и магнитных процессов в пространстве, окружающем проводник, однако в довольно неясной форме.

В1831 годуМайкл Фарадейэкспериментально открыл явление и законэлектромагнитной индукции,ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Он же разработал (применительно к электрическому и магнитному полям) основы концепции физического поля и некоторые базисные теоретические представления, позволяющие описывать физические поля, а также1832 годупредсказал существование электромагнитных волн.

В1864 годуДж. К. Максвеллвпервые опубликовал полнуюсистему уравнений«классической электродинамики», описывающую эволюциюэлектромагнитного поляи его взаимодействие с зарядами и токами. Он высказал теоретически обоснованное предположение о том, чтосветявляетсяэлектромагнитной волной,то есть объектом электродинамики.

В1895 годуЛоренцвнёс существенный вклад в построение классической электродинамики, описав взаимодействие электромагнитного поля с (движущимися) точечными заряженными частицами. Это позволило ему вывестипреобразования Лоренца.Он же первым заметил, что уравнения электродинамики противоречатньютоновской физике.

В1905 годуА. Эйнштейнпубликует работу «К электродинамике движущихся тел», в которой формулируетспециальную теорию относительности.Теория относительности, в отличие от ньютоновской физики, находится в полном согласии с классической электродинамикой и логически завершает её построение, позволив создать её ковариантную формулировку впространстве Минковскогочерез4-потенциали4-тензор электромагнитного поля.

В середине XX века была созданаквантовая электродинамика— одна из наиболее точных физических теорий, служащая фундаментом и образцом для всех современных теоретических построений в физике элементарных частиц.

См. также

• Квантовая электродинамика

Литература

• Баумгарт К. К.,.Электродинамика//Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона:в 86 т. (82 т. и 4 доп.). —СПб.,1890—1907.

Ссылки

• Самые важные законы электродинамики
• Статья«Электродинамика»в Физической энциклопедии