Elettrodinamica

Spieghiamo cosa sono l'elettrodinamica, la sua storia, le sue basi, le leggi principali e le applicazioni

Cos'è l'elettrodinamica?

IL elettrodinamica È il ramo della fisica che frequenta tutto ciò che riguarda il movimento delle cariche elettriche. Descrivi quale è nota l'evoluzione nel tempo di una serie di particelle N con carica di massa ed elettrica, di cui è nota la sua posizione e velocità iniziali.

Se è un ampio insieme di particelle con quantità di moto Piccoli, il loro movimento e le interazioni che si svolgono tra loro sono descritte macroscopicamente attraverso l'elettrodinamica classica, il che utilizza le leggi di Newton sul movimento e le leggi di Maxwell.

E se il momento delle particelle è grande e il numero di particelle è piccolo, gli effetti relativistici e quantistici devono essere presi in considerazione.

Aggiungi gli effetti relativistici e quantistici allo studio del sistema dipende dall'energia dei fotoni coinvolti durante l'interazione. I fotoni sono particelle senza carico o massa (per scopi pratici) che vengono scambiati ogni volta che c'è un'attrazione o una repulsione elettrica.

Se lo slancio dei fotoni è piccolo, rispetto allo slancio del sistema, la descrizione classica è sufficiente per ottenere la caratterizzazione di questo.

Breve storia dell'elettrodinamica

Le leggi che descrivono le dinamiche delle particelle cariche sono state scoperte tra la fine del 18 ° e metà del Nineettimo secolo, quando sorge il concetto di corrente elettrica, a seguito del lavoro sperimentale e teorico di molti scienziati.

Il fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827) produceva la prima pila voltaica all'alba del diciannovesimo secolo. Con esso ottenne una corrente continua, i cui effetti iniziarono a essere studiati immediatamente.

Illustrazione di Alessandro Volta

Il legame tra cariche elettriche in movimento e magnetismo fu rivelato con gli esperimenti del fisico Hans Christian Oersted (1777-1851) nel 1820. In essi è stato osservato che una corrente elettrica era in grado di spostare l'ago della bussola allo stesso modo dei magneti.

Fu André Marie Ampere (1775-1836) a stabilire in modo matematico il legame tra attuale e magnetismo, attraverso la legge che porta il suo nome.

Contemporaneamente, Georg Simon Ohm (1789-1854) ha studiato quantitativamente il modo in cui i materiali conducono elettricità. Ha anche sviluppato il concetto di resistenza elettrica e la sua relazione con la tensione e la corrente, attraverso la legge di Ohm per i circuiti.

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Michael Faraday (1791-1867) ha trovato il modo di generare una corrente attraverso il movimento relativo tra la sorgente di campo magnetico e un circuito chiuso.

Qualche tempo dopo, il fisico James Clerk Maxwell (1831-1879) creò una teoria per l'elettromagnetismo che unificava tutte le leggi scoperte, spiegando i fenomeni noti fino ad allora.

Inoltre, attraverso le sue equazioni, Maxwell ha previsto diversi effetti che sono stati successivamente confermati. Ad esempio, quando Heinrich Hertz (1857-1894), scopritore di onde radio, verificava che si muovevano alla velocità della luce.

Con l'avvento della teoria della relatività, all'inizio del 20 ° secolo, era possibile spiegare il comportamento delle particelle con velocità vicine a quella della luce. Nel frattempo, la meccanica quantistica ha raffinato l'elettrodinamica introducendo il concetto di spin e spiegando l'origine del magnetismo nella questione.

Fondamenti elettrodinamici

L'elettrodinamica si occupa dello studio dei carichi in movimento

L'elettrodinamica si basa su quattro leggi, che sono conosciute come: legge di Coulomb, legge di Gauss, legge di ampere e legge di Faraday.

Queste quattro leggi, oltre al principio di conservazione del carico, che deriva da essi e dalla legge della forza di Lorentz, descrivono come le cariche elettriche interagiscono dal punto di vista classico (senza considerare il fotone come mediatore).

Se la velocità delle particelle è vicina a quella della luce, il suo comportamento è modificato ed è necessario aggiungere alla teoria classica alcune correzioni relativistiche che derivano dalla teoria della relatività di Albert Einstein (elettrodinamica relativistica).

E quando la scala dei fenomeni per studiare è la scala atomica o più piccola, gli effetti quantistici acquisiscono rilevanza, dando origine al elettrodinamica quantistica.

Fondamenti matematici dell'elettrodinamica

La matematica necessaria per lo studio dell'elettrodinamica è l'algebra vettoriale e il calcolo vettoriale, poiché i campi elettrici e magnetici sono entità di natura vettoriale. Partecipano anche i campi scalari, come il potenziale elettrico e il flusso magnetico.

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Gli operatori matematici per quelli derivati ​​dalle funzioni vettoriali sono:

• Pendenza.
• Divergenza.
• Rotazionale.
• Laplaciano.

Sono necessari sistemi di coordinate per la risoluzione di Maxwell. Oltre alle coordinate cartesiane, l'uso di coordinate cilindriche e coordinate sferiche è frequente.

In integrazione vengono visualizzati i teoremi di verde, Stokes e il teorema di divergenza.

Infine, c'è una funzione chiamata Dirac delta, che è definito attraverso le sue proprietà ed è molto utile per esprimere distribuzioni di ricarica confinate in una certa dimensione, ad esempio una distribuzione lineare e superficiale, un punto o un piano.

Onde elettromagnetiche

L'origine delle onde elettromagnetiche è in carichi elettrici il cui movimento è accelerato. Una corrente elettrica variabile nel tempo, produce un campo elettrico, descritto dalla funzione vettoriale E (x, y, z, t) e a sua volta produce un campo magnetico B (X, y, z, t).

Questi campi sono combinati per formare il campo elettromagnetico, in cui il campo elettrico ha origine nel campo magnetico e viceversa.

Leggi elettrodinamiche

Quando le cariche elettriche sono statiche, tra cui c'è attrazione o repulsione elettrostatica, mentre l'interazione magnetica deriva dal movimento dei carichi.

Le quattro equazioni di Maxwell mettono in relazione ciascuno dei campi con la loro fonte e, insieme alla forza di Lorentz, costituiscono le basi teoriche dell'elettrodinamica.

Placca commemorativa con le equazioni di Maxwell (in termini di operatori differenziali), che fa parte della statua eretta nella città di Edimburgo in onore del fisico scozzese. Fonte: Wikimedia Commons.

Legge di Gauss

Il flusso di campo elettrico che esce da un volume racchiuso dalla superficie chiusa S, è proporzionale al carico netto racchiuso in esso:

Dove DA È un differenziale di area e K È la costante elettrostatica. Questa legge è una conseguenza della legge di Coulomb per la forza tra le accuse elettriche.

Gauss Law of Magnetism

Il flusso di campo magnetico attraverso un volume delimitato da una superficie chiusa è nullo, perché non esistono monopoli magnetici.

Di conseguenza, fintanto che un magnete è limitato in un volume delimitato da S, il numero di linee di campo a S è uguale al numero di linee che escono:

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Faraday Law

Michael Faraday ha scoperto che il movimento relativo tra un metallo chiuso e un magnete genera una corrente indotta. La tensione indotta (forza elettromotiva) ε_ind, Associato a questa corrente, è proporzionale alla derivata temporanea del flusso magnetico φ_B che attraversa l'area delimitata da La Espira:

Il segno meno è la legge di Lenz, il che indica che la tensione indotta si oppone al cambiamento nel flusso che la produce. Ma la forza elettromotoria indotta è la linea integrale del campo elettrico lungo la strada chiusa C, quindi:

Legge Ampere-Maxwell

La circolazione del campo magnetico su una curva C è proporzionale alla corrente totale che racchiude la curva. Ci sono due contributi ad esso: la corrente di conduzione I e la corrente di spostamento hanno avuto origine dalla variazione al tempo del flusso elettrico φ_E:

Dove μ_O e ε_O Sono costanti, il primo è il Permeabilità al vuoto e il secondo il Possesso elettrico.

Legge di Lorentz

Le equazioni di Maxwell descrivono la relazione tra E, B e le loro rispettive fonti, ma la dinamica di una carica elettrica è descritta dalla legge di Lorentz o dalla legge di Lorentz.

Sottolinea che la forza totale che agisce su un peso Q che si muove con la velocità v Nel mezzo di un campo elettrico E e un campo magnetico B (non prodotto da Q) è dato da:

F = QE + Qv X B

Applicazioni elettrodinamiche

I carichi in movimento ordinati costituiscono una corrente elettrica, che è in grado di generare energia per fare un lavoro utile: lampadine, motori a spostare, in breve, avviare numerosi dispositivi.

Distribuzione elettrica di energia

L'elettrodinamica rende possibile la trasmissione dell'elettricità, attraverso la corrente alternata, da luoghi lontani in cui l'energia viene trasformata e generata, in città, industrie e famiglie.

elettronica

Avendo come obiettivo lo studio dei carichi in movimento, l'elettrodinamica è la base fisica dell'elettronica, che si occupa della progettazione di dispositivi che, attraverso i circuiti elettronici, utilizzano il flusso di carichi elettrici per generare, trasmettere, ricevere, ricevere e archiviare segnali elettromagnetici contenere informazioni.

Riferimenti

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