Électrodynamique

Nous expliquons quelle est l'électrodynamique, son histoire, ses fondations, ses principales lois et applications

Qu'est-ce que l'électrodynamique?

La électrodynamique C'est la branche de la physique qui assiste à tout ce qui concerne le mouvement des charges électriques. Décrivez quelle est l'évolution au temps d'un ensemble de n particules avec une charge de masse et électrique, dont sa position et sa vitesse initiales sont connues.

S'il s'agit d'un grand ensemble de particules avec élan Petits, leur mouvement et les interactions qui se déroulent entre eux sont décrits macroscopiquement grâce à l'électrodynamique classique, qui utilise les lois de Newton sur le mouvement et les lois de Maxwell.

Et si l'élan des particules est grand et que le nombre de particules est faible, les effets relativistes et quantiques doivent être pris en compte.

Ajouter les effets relativistes et quantiques à l'étude du système dépend de l'énergie des photons impliqués pendant l'interaction. Les photons sont des particules sans charge ni masse (à des fins pratiques) qui sont échangées chaque fois qu'il y a une attraction ou une répulsion électrique.

Si l'élan des photons est petit, par rapport à l'élan du système, la description classique est suffisante pour obtenir la caractérisation de ce.

Brève histoire de l'électrodynamique

Les lois qui décrivent la dynamique des particules chargées ont été découvertes entre la fin du XVIIIe et du milieu du Neute-siècle, lorsque le concept de courant électrique survient, à la suite du travail expérimental et théorique de nombreux scientifiques.

Le physicien italien Alessandro Volta (1745-1827) a fabriqué la première pile voltaïque à l'aube du XIXe siècle. Avec lui, il a obtenu un courant continu, dont les effets ont commencé à être étudiés immédiatement.

Illustration Alessandro Volta

Le lien entre les charges électriques en mouvement et le magnétisme a été révélée avec les expériences du physicien Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1820. Il a été observé en eux qu'un courant électrique a pu déplacer l'aiguille de boussole de la même manière que les aimants.

C'est André Marie Ampère (1775-1836) qui a établi de manière mathématique le lien entre le courant et le magnétisme, à travers la loi qui porte son nom.

Simultanément, Georg Simon Ohm (1789-1854) a étudié quantitativement la façon dont les matériaux conduisent l'électricité. Il a également développé le concept de résistance électrique et sa relation avec la tension et le courant, grâce à la loi d'Ohm pour les circuits.

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Michael Faraday (1791-1867) a trouvé un moyen de générer un courant à travers le mouvement relatif entre la source de champ magnétique et un circuit fermé.

Quelque temps plus tard, le physicien James Clerk Maxwell (1831-1879) a créé une théorie de l'électromagnétisme qui unifiait toutes les lois découvertes, expliquant les phénomènes connus jusque-là jusque-là.

De plus, grâce à ses équations, Maxwell a prédit plusieurs effets qui ont été confirmés plus tard. Par exemple, lorsque Heinrich Hertz (1857-1894), découvreur des vagues radio, a vérifié qu'ils se déplaçaient à la vitesse de la lumière.

Avec l'avènement de la théorie de la relativité, au début du 20e siècle, il a été possible d'expliquer le comportement des particules avec des vitesses proches de celles de la lumière. Pendant ce temps, la mécanique quantique a affiné l'électrodynamique en introduisant le concept de spin et en expliquant l'origine du magnétisme en la matière.

Fondamentaux de l'électrodynamique

L'électrodynamique traite de l'étude des charges mobiles

L'électrodynamique est basée sur quatre lois, qui sont connues sous le nom de: Coulomb's Law, Gauss Law, Ampère Law et Faraday Law.

Ces quatre lois, plus le principe de conservation de la charge, qui en découle et la loi de la force de Lorentz, décrivent comment les charges électriques interagissent du point de vue classique (sans considérer le photon comme un médiateur).

Si la vitesse des particules est proche de celle de la lumière, son comportement est modifié et il est nécessaire d'ajouter à la théorie classique certaines corrections relativistes qui dérivent de la théorie de la relativité d'Albert Einstein (électrodynamique relativiste).

Et lorsque l'échelle des phénomènes à étudier est la échelle atomique ou plus petite, les effets quantiques acquièrent une pertinence, donnant naissance au électrodynamique quantique.

Fondamentaux mathématiques de l'électrodynamique

Les mathématiques nécessaires à l'étude de l'électrodynamique sont l'algèbre vectorielle et le calcul des vecteurs, car les champs électriques et magnétiques sont des entités de nature vectorielle. Les champs scalaires participent également, comme le potentiel électrique et le flux magnétique.

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Les opérateurs mathématiques pour ceux dérivés des fonctions vectoriels sont:

• Pente.
• Divergence.
• Rotation.
• Laplaciano.

Des systèmes de coordonnées sont nécessaires pour la résolution de Maxwell. En plus des coordonnées cartésiennes, l'utilisation de coordonnées cylindriques et de coordonnées sphériques est fréquente.

Dans l'intégration, les théorèmes de Green, Stokes et le théorème de divergence apparaissent.

Enfin, il y a une fonction appelée Delta de Dirac, qui est défini à travers ses propriétés et est très utile pour exprimer des distributions de charge confinées à une certaine dimension, par exemple une distribution linéaire et superficielle, un point ou un plan.

Ondes électromagnétiques

L'origine des ondes électromagnétiques est dans les charges électriques dont le mouvement est accéléré. Un courant électrique variable dans le temps, produit un champ électrique, décrit par la fonction vectorielle ET (x, y, z, t) et produit à son tour un champ magnétique B (X, y, z, t).

Ces champs sont combinés pour former le champ électromagnétique, dans lequel le champ électrique est originaire du champ magnétique et vice versa.

Lois électrodynamiques

Lorsque les charges électriques sont statiques, il y a une attraction ou une répulsion électrostatique, tandis que l'interaction magnétique provient du mouvement des charges.

Les quatre équations de Maxwell relient chacun des champs à leur source, et avec la force de Lorentz, ils constituent la base théorique de l'électrodynamique.

Plaque commémorative avec les équations de Maxwell (en termes d'opérateurs différentiels), qui fait partie de la statue érigée dans la ville d'Édimbourg en l'honneur du physicien écossais. Source: Wikimedia Commons.

Loi de Gauss

Le flux de champ électrique qui sort d'un volume enfermé par la surface fermée S, est proportionnel à la charge nette entourée:

Où dPOUR C'est un différentiel de zone et k C'est la constante électrostatique. Cette loi est une conséquence de la loi de Coulomb pour la force entre les accusations électriques.

Garning Law of Mangétisme

Le flux de champ magnétique à travers un volume délimité par une surface fermée s est nul, car les monopoles magnétiques n'existent pas.

Par conséquent, tant qu'un aimant est confiné dans un volume délimité par S, le nombre de lignes de champ à S est égal au nombre de lignes qui sortent:

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Loi de faraday

Michael Faraday a découvert que le mouvement relatif entre une spase métallique fermée C et un aimant génère un courant induit. La tension induite (force électromotrice) ε_Indiana, Associé à ce courant, il est proportionnel à la dérivée temporaire du flux magnétique φ_B Cela traverse la zone délimitée par La Espira:

Le moins de signe est la loi de Lenz, qui indique que la tension induite s'oppose au changement de flux qui le produit. Mais la force électromotrice induite est la ligne intégrale du champ électrique le long de la route fermée C, donc:

Ampère-Maxwell Law

La circulation du champ magnétique sur une courbe C est proportionnelle au courant total qui enferme la courbe. Il y a deux contributions à ce sujet: le courant de conduction I et le courant de déplacement sont originaires de la variation du temps du flux électrique φ_ET:

Où μ_soit et ε_soit Ils sont constants, le premier est le Perméabilité sous vide Et la seconde le Possibilité électrique.

Loi de Lorentz

Les équations de Maxwell décrivent la relation entre ET, B et leurs sources respectives, mais la dynamique d'une charge électrique est décrite par la loi de Lorentz ou la loi de Lorentz.

Elle souligne que la force totale qui agit sur un fardeau q qui se déplace avec la vitesse V Au milieu d'un champ électrique ET Et un champ magnétique B (Non produit par q) est donné par:

F = qET + qV X B

Applications électrodynamiques

Les charges de déménagement ordonnées constituent un courant électrique, qui est capable de générer de l'énergie pour effectuer un travail utile: ampoules, déplacer les moteurs, en bref, démarrer de nombreux appareils.

Distribution d'énergie électrique

L'électrodynamique rend possible la transmission de l'électricité, par le courant alterné, des endroits éloignés où l'énergie est transformée et générée, dans les villes, les industries et les ménages.

électronique

Ayant comme objectif l'étude des charges mobiles, l'électrodynamique est le fondement physique de l'électronique, qui traite des dispositifs de conception qui, via des circuits électroniques, utilisent le flux de charges électriques pour générer, transmettre, recevoir, recevoir et stocker des signaux électromagnétiques qui contenir des informations.

Les références

1. Cosenza, M. Électromagnétisme. Université des Andes.
2. Díaz, R. Électrodynamique: notes de classe. Université nationale de Colombie.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 6. Électromagnétisme. Édité par Douglas Figueroa (USB).
4. Jackson, J. D. Électodynamique classique. 3e. Élégant. Wiley.
5. Tarazona, C. Introduction à l'électrodynamique. Université éditoriale Manuela Beltrán.