Становление и развитие классической электродинамики. Классическая электродинамика
§ 1. Закон Кулона
§ 2. Напряженность электрического поля
§ 3. Теорема Гаусса
§ 4. Дифференциальная форма теоремы Гаусса
§ 5. Второе уравнение электростатики и скалярный потенциал
§ 6. Поверхностные распределения зарядов и диполей. Скачки электрического поля и потенциала
§ 7. Уравнения Лапласа и Пуассона
§ 8. Теорема Грина
§ 9. Единственность решения при граничных условиях Дирихле или Неймана
§ 10. Формальное решение граничных задач электростатики с помощью функции Грина
§ 11. Потенциальная энергия и плотность энергии электростатического поля
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Метод изображений
§ 2. Точечный заряд вблизи заземленного сферического проводника
§ 3. Точечный заряд вблизи заряженного изолированного сферического проводника
§ 4. Точечный заряд вблизи сферического проводника с заданным потенциалом
§ 5. Сферический проводник в однородном электрическом поле
§ 6. Метод инверсии
§ 7. Функция Грина для сферы. Общее выражение для потенциала
§ 8. Две примыкающие проводящие полусферы, имеющие различный потенциал
§ 9. Разложение по ортогональным функциям
§ 10. Разделение переменных. Уравнение Лапласа в декартовых координатах
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Уравнение Лапласа в сферических координатах
§ 2. Уравнение Лежандра и полиномы Лежандра
§ 3. Граничные задачи с азимутальной симметрией
§ 4. Присоединенные функции Лежандра и сферические гармоники
§ 5. Теорема сложения для сферических гармоник
§ 6. Уравнение Лапласа в цилиндрических координатах. Функции Бесселя
§ 7. Граничные задачи в цилиндрических координатах
§ 8. Разложение функций Грина в сферических координатах
§ 9. Нахождение потенциала с помощью разложений для сферических функций Грина
§ 10. Разложение функций Грина в цилиндрических координатах
§ 11. Разложение функций Грина по собственным функциям
§ 12. Смешанные граничные условия. Заряженный проводящий диск
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Разложение по мультиполям
§ 2. Разложение по мультиполям энергии распределения зарядов во внешнем поле
§ 3. Макроскопическая электростатика. Эффекты совокупного действия атомов
§ 4. Изотропные диэлектрики и граничные условия
§ 5. Граничные задачи при наличии диэлектриков
§ 6. Поляризуемость молекул и диэлектрическая восприимчивость
§ 7. Модели поляризуемости молекул
§ 8. Энергия электрического поля в диэлектрике
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Введение и основные определения
§ 2. Закон Био и Савара
§ 3. Дифференциальные уравнения магнитостатики и закон Ампера
§ 4. Векторный потенциал
§ 5. Векторный потенциал и магнитная индукция кругового витка тока
§ 6. Магнитное поле ограниченного распределения токов. Магнитный момент
§ 7. Сила и момент, действующие на ограниченное распределение тока во внешнем магнитном поле
§ 8. Макроскопические уравнения
§ 9. Граничные условия для магнитной индукции и поля
§ 10. Однородно намагниченный шар
§ 11. Намагниченный шар во внешнем поле. Постоянные магниты
§ 12. Магнитное экранирование. Сферическая оболочка из магнитного материала в однородном поле
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Закон индукции Фарадея
§ 2. Энергия магнитного поля
§ 3. Максвелловский ток смещения. Уравнения Максвелла
§ 4. Векторный и скалярный потенциалы
§ 5. Калибровочные преобразования. Лоренцовская калибровка. Кулоновская калибровка
§ 6. Функция Грина для волнового уравнения
§ 7. Задача с начальными условиями. Интегральное представление Кирхгофа
§ 8. Теорема Пойнтинга
§ 9. Законы сохранения для системы заряженных частиц и электромагнитных полей
§ 10. Макроскопические уравнения
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Плоские волны в непроводящей среде
§ 2. Линейная и круговая поляризация
§ 3. Суперпозиция волн в одном измерении. Групповая скорость
§ 4. Примеры распространения импульсов в диспергирующей среде
§ 5. Отражение и преломление электромагнитных волн на плоской границе раздела между диэлектриками
§ 6. Поляризация при отражении и полное внутреннее отражение
§ 7. Волны в проводящей среде
§ 8. Простая модель проводимости
§ 9. Поперечные волны в разреженной плазме
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Поля на поверхности и внутри проводника
§ 2. Цилиндрические резонаторы и волноводы
§ 3. Волноводы
§ 4. Волны в прямоугольном волноводе
§ 5. Поток энергии и затухание в волноводах
§ 6. Резонаторы
§ 7. Потери мощности в резонаторе. Добротность резонатора
§ 8. Диэлектрические волноводы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Поля, создаваемые ограниченными колеблющимися источниками
§ 2. Электрическое дипольное поле и излучение
§ 3. Магнитные дипольные и электрические квадрупольные поля
§ 4. Линейная антенна с центральным возбуждением
§ 5. Интеграл Кирхгофа
§ 6. Векторные эквиваленты интеграла Кирхгофа
§ 7. Принцип Бабине для дополнительных экранов
§ 8. Дифракция на круглом отверстии
§ 9. Дифракция на малых отверстиях
§ 10. Рассеяние коротких волн проводящей сферой
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Введение и основные понятия
§ 2. Уравнения магнитной гидродинамики
§ 3. Магнитная диффузия, вязкость и давление
§ 4. Магнитогидродинамический поток между границами в скрещенных электрическом и магнитном полях
§ 5. Пинч-эффект
§ 6. Динамическая модель пинч-эффекта
§ 7. Неустойчивости сжатого плазменного столба
§ 8. Магнитогидродинамические волны
§ 9. Высокочастотные плазменные колебания
§ 10. Коротковолновые плазменные колебания. Дебаевский радиус экранирования
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Исторические предпосылки и основные эксперименты
§ 2. Постулаты специальной теории относительности и преобразование Лоренца
§ 3. Сокращение Фицджеральда-Лоренца и замедление времени
§ 4. Сложение скоростей. Аберрация и опыт Физо. Допплеровское смещение
§ 5. Прецессия Томаса
§ 6. Собственное время и световой конус
§ 7. Преобразования Лоренца как ортогональные преобразования в четырехмерном пространстве
§ 8. Четырехвекторы и четырехтензоры. Ковариантность уравнений физики
§ 9. Ковариантность уравнений электродинамики
§ 10. Преобразование электромагнитного поля
§ 11. Ковариантность выражения для силы Лоренца и законов сохранения
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Импульс и энергия частицы
§ 2. Кинематика осколков при распаде нестабильной частицы
§ 3. Преобразование к системе центра масс и пороги реакций
§ 4. Преобразование импульса и энергии из системы центра масс в лабораторную систему
§ 5. Ковариантные уравнения движения. Лагранжиан и гамильтониан для релятивистской заряженной частицы
§ 6. Релятивистские поправки первого порядка для лагранжиан взаимодействующих заряженных частиц
§ 7. Движение в однородном статическом магнитном поле
§ 8. Движение в однородных статических электрическом и магнитном полях
§ 9. Дрейф частиц в неоднородном статическом магнитном поле
§ 10. Адиабатическая инвариантность магнитного потока сквозь орбиту частицы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Передача энергии при кулоновских соударениях
§ 2. Передача энергии гармоническому осциллятору
§ 3. Классическое и квантовомеханическое выражение для потерь энергии
§ 4. Влияние плотности на потери энергии при соударении
§ 5. Потери энергии в электронной плазме
§ 6. Упругое рассеяние быстрых частиц атомами
§ 7. Среднеквадратичное значение угла рассеяния и угловое распределение при многократном рассеянии
§ 8. Электропроводность плазмы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Потенциалы Лиенара-Вихерта и поле точечного заряда
§ 2. Полная мощность, излучаемая ускоренно движущимся зарядом. Формула Лармора и ее релятивистское обобщение
§ 3. Угловое распределение излучения ускоряемого заряда
§ 4. Излучение заряда при произвольном ультрарелятивистском движениим
§ 5. Спектральное и угловое распределения энергии, излучаемой ускоренными зарядами
§ 6. Спектр излучения релятивистской заряженной частицы при мгновенном движении по окружности
§ 7. Рассеяние на свободных зарядах. Формула Томсона
§ 8. Когерентное и некогерентное рассеяние
§ 9. Излучение Вавилова-Черенкова
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Излучение при соударениях
§ 2. Тормозное излучение при нерелятивистских кулоновских соударениях
§ 3. Тормозное излучение при релятивистском движении
§ 4. Влияние экранирования. Потери на излучение в релятивистском случае
§ 5. Метод виртуальных фотонов Вейцзеккера-Вильямса
§ 6. Тормозное излучение как рассеяние виртуальных фотонов
§ 7. Излучение при бета-распаде
§ 8. Излучение при захвате орбитальных электронов. Исчезновение заряда и магнитного момента
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Собственные функции скалярного волнового уравнения
§ 2. Разложение электромагнитных полей по мультиполям
§ 3. Свойства полей мультиполей. Энергия и момент количества движения мультипольного излучения
§ 4. Угловое распределение мультипольного излучения
§ 5. Источники мультипольного излучения. Мультипольные моменты
§ 6. Мультипольное излучение атомных и ядерных систем
§ 7. Излучение линейной антенны с центральным возбуждением
§ 8. Разложение векторной плоской волны по сферическим волнам
§ 9. Рассеяние электромагнитных волн на проводящей сфере
§ 10. Решение граничных задач с помощью разложений по мультиполям
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Вводные замечания
§ 2. Определение силы реакции излучения из закона сохранения энергии
§ 3. Вычисление силы реакции излучения по Абрагаму и Лоренцу
§ 4. Трудности модели Абрагама-Лоренца
§ 5. Трансформационные свойства модели Абрагама-Лоренца. Натяжения Пуанкаре
§ 6. Ковариантное определение собственной электромагнитной энергии и импульса заряженной частицы
§ 7. Интегро-дифференциальное уравнение движения с учетом радиационного затухания
§ 8. Ширина линии и сдвиг уровня для осциллятора
§ 9. Рассеяние и поглощение излучения осциллятором
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Единицы измерения и размерности. Основные и производные единицы
§ 2. Единицы измерения и уравнения электродинамики
§ 3. Различные системы электромагнитных единиц
§ 4. Перевод формул и численных значений величин из гауссовой системы единиц в систему МКС
Состоит из двух частей: макроскопической Е., базирующаяся на уравнениях Максвелла, и классической электронной теории.
Основные уравнениями классической электродинамики является уравнения Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов. Суть четырех уравнений Максвелла для электромагнитного поля качественно сводится к следующему:
1. Магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем;
2. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем;
3. Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты (это означает, что оно не имеет источников – магнитных зарядов, подобных электрическим);
4. Электрическое поле с незапертой силовыми линиями (потенциальное поле) порождается электрическими зарядами – источниками этого поля. Из теории Максвелла вытекает конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн.
В классической электродинамике рассматриваются также электромагнитные волны, их излучение и распространение в пространстве.
Отдельным разделом классической электродинамики является электродинамика сплошных сред, в которой рассматривается отзыв физических сред на возмущения внешним электрическим и магнитным полем.
Предмет классической электродинамики
Классическая электродинамика – это теория, объясняющая поведение электромагнитного поля, осуществляющего электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами.
Законы классической макроскопической электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля: напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В в вакууме и в макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов описывается уравнениями электростатики, которые можно получить как следствие уравнений Максвелла.
Микроскопическое электромагнитное поле, создаваемое отдельными заряженными частицами, в классической электродинамике определяется уравнениями Лоренца-Максвелла, которые лежат в основе классической статистической теории электромагнитных процессов в макроскопических телах. Усреднение этих уравнений приводит к уравнениям Максвелла.
Среди всех известных видов взаимодействия электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных (положительных и отрицательных) частиц, электромагнитное взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой – является дальнодействующим в отличие от сильного взаимодействия.
Электромагнитным взаимодействием определяется строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (силы химической связи) и образование конденсированного вещества (межатомное взаимодействие, межмолекулярное взаимодействие).
Законы классической электродинамики неприменимы при больших частотах и, соответственно, малых длинах электромагнитных волн, т.е. для процессов, протекающих на малых пространственно-временных интервалах. В этом случае справедливы законы квантовой электродинамики.
1.2. Электрический заряд и его дискретность.
Теория близкодействия
Развитие физики показало, что физические и химические свойства вещества во многом определяются силами взаимодействия, обусловленными наличием и взаимодействием электрических зарядов молекул и атомов различных веществ.
Известно, что в природе существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Они могут существовать в виде элементарных частиц: электронов, протонов, позитронов, положительных и отрицательных ионов и др., а также "свободного электричества", но только в виде электронов. Поэтому положительно заряженное тело представляет собой совокупность электрических зарядов с недостатком электронов, а отрицательно заряженное тело – с их избытком. Заряды различных знаков компенсируют друг друга, следовательно, в незаряженных телах всегда имеются заряды обеих знаков в таких количествах, что их суммарное действие скомпенсировано.
Процесс перераспределения положительных и отрицательных зарядов незаряженных тел, или среди отдельных частей одного и того же тела, под влиянием различных факторов называется электризацией .
Так как при электризации происходит перераспределение свободных электронов, то электризуются, например, оба взаимодействующих тела, причем одно из них положительно, а другое – отрицательно. Количество же зарядов (положительных и отрицательных) при этом остается неизменным.
Отсюда следует вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а лишь перераспределяются между взаимодействующими телами и частями одного и того же тела, в количественном отношении оставаясь неизменными.
В этом заключается смысл закона сохранения электрических зарядов, который математически можно записать так:
т.е. в изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной.
Под изолированной системой понимают такую систему, через границы которой не проникает никакое другое вещество, за исключением фотонов света, нейтронов, так как они не несут заряда.
Надо иметь в виду, что полный электрический заряд изолированной системы является релятивистки инвариантным, т.к. наблюдатели, находящиеся в любой заданной инерциальной системе координат, измеряя заряд, получают одно и то же значение.
Ряд экспериментов, в частности законы электролиза, опыт Милликена с каплей масла, показали, что в природе электрические заряды дискретны заряду электрона. Любой заряд кратен целому числу заряда электрона.
В процессе электризации заряд изменяется дискретно (квантуется) на величину заряда электрона. Квантование заряда является универсальным законом природы.
В электростатике изучаются свойства и взаимодействия зарядов, неподвижных в той системе отсчета, в которой они находятся.
Наличие у тел электрического заряда вызывает взаимодействие их с другими заряженными телами. При этом тела, заряженные одноименно, отталкиваются, а заряженные разноименно – притягиваются.
Теория близкодействия – одна из теорий взаимодействия в физике. Под взаимодействием в физике понимают всякое воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.
В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.
Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состоял смысл так называемой теории взаимодействия, получившей название теория дальнодействия. Однако эти представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля.
Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время.
Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы, т.е. взаимодействие передается через "посредника" – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости распространения света в вакууме. Возникла новая теория взаимодействия теория близкодействия.
Согласно данной теории, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.
После появления квантовой теории поля представление о взаимодействиях существенно изменилось.
Согласно квантовой теории, любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру.
Вследствие корпускулярно-волнового дуализма, каждому полю соответствуют определенные частицы. Заряженные частицы непрерывно испускают и поглощают фотоны, которые и образуют окружающее их электромагнитное поле. Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами) электромагнитного поля, т.е. фотоны являются переносчиками такого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействий возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.
Несмотря на многообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействия слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (в порядке возрастания интенсивности взаимодействия). Интенсивности взаимодействий определяются константами связи (в частности, электрический заряд для электромагнитного взаимодействия является константой связи).
Современная квантовая теория электромагнитного взаимодействия превосходно описывает все известные электромагнитные явления.
В 60 – 70-х годах века в основном построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие) лептонов и кварков.
Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.
Делаются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий в так называемое "Великое объединение", а также включения их в единую схему гравитационного взаимодействия.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Электродинамикой называют раздел физики, который исследует переменные электромагнитные поля, электромагнитные взаимодействия.
Так называемая классическая электродинамика описывает свойства электромагнитного поля и принципы его взаимодействия с телами, несущими электрический заряд. Это описание проводится при помощи уравнений Максвелла, выражения для силы Лоренца. При этом используются такие основные понятия электродинамики как: электромагнитное поле (электрическое и магнитное поля); электрический заряд; электромагнитный потенциал; вектор Пойнтинга.
К специальным разделам электродинамики относят:
- электростатику;
- магнитостатику;
- электродинамику сплошной среды;
- релятивистскую электродинамику.
Электродинамика составляет основу для оптики (как раздела науки), физики радиоволн. Этот раздел науки является фундаментом для радиотехники и электротехники.
Основные понятия электродинамики
Электромагнитное поле - это вид материи, который проявляется во взаимодействии заряженных тел. Часто электромагнитное поле делят на электрическое и магнитное поле. Электрическое поле - это особый вид материи, которая создается телом, обладающим электрическим зарядом или изменяющимся магнитным полем. Электрическое поле оказывает воздействие на любое, размещенное в нем, заряженное тело.
Магнитное поле - это особый вид материи, который создается перемещающимися телами, имеющими электрические заряды, переменными электрическими полями. Магнитное поле воздействует на заряды (заряженные тела), находящиеся в движении.
Электрический заряд - источник электрического поля, проявляется через взаимодействие тела, несущего заряд и поля.
Электромагнитным потенциалом называют физическую величину, которая полностью определяет распределение электромагнитного поля в пространстве.
Основные уравнения электродинамики
Уравнения Максвелла — это основные законы классической макроскопической электродинамики. Они получены в результате обобщения эмпирических данных. В краткой форме эти уравнения отображают все содержание электродинамики для неподвижной среды. Выделяют структурные и материальные уравнения Максвелла. Эти уравнения можно представлять в дифференциальной и интегральной формах. Запишем структурные уравнения Максвелла в интегральной форме (система СИ):
где - вектор напряженности магнитного поля; — вектор плотности электрического тока; - вектор электрического смещения. Уравнение (1) отображает закон создания магнитных полей. Магнитное поле возникает при движении заряда (электрический ток) или при изменении электрического поля. Это уравнение - обобщение закона Био-Савара-Лапласа. Уравнение (1) называют теоремой о циркуляции магнитного поля.
где - вектор индукции магнитного поля; - вектор напряжённости электрического поля; L - замкнутый контур по которому происходит циркуляция вектора напряженности электрического поля. Иначе, уравнение (2) можно назвать законом электромагнитной индукции. Данное уравнение показывает, что вихревое электрическое поле возникает благодаря переменному магнитному полю.
где - электрический заряд; - плотность заряда. Это уравнение еще называют теоремой Остроградского — Гаусса. Электрические заряды являются источниками электрического поля, существуют свободные электрические заряды.
Уравнение (4) говорит о том, что магнитное поле носит вихревой характер и магнитных зарядов не существует.
Систему структурных уравнений Максвелла дополняют материальными уравнениями, которые отражают связь векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.
где - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная магнитная проницаемость, — удельная электропроводность, - электрическая постоянная, - магнитная постоянная. Среда в таком случае считается изотропной, неферромагнитной, несегнетоэлектрической.
При решении прикладных задач в электродинамике уравнения Максвелла дополняют начальными и граничными условиями.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите, каким будет поток вектора напряженности электрического поля () через поверхность гипотетической сферы радиуса R, если электрическое поле создает бесконечная однородно заряженная нить, плотность распределения заряда на нити равна ? Центр сферы расположен на нити.
|
| Решение | В соответствии с одним из уравнений Максвелла (теоремой Гаусса), имеем:
где для изотропной среды: следовательно:
Учитывая, что заряд на нити распределен равномерно с плотностью , а сфера отсекает кусок нити длиной 2R, получим, что заряд внутри выделенной поверхности равен: Принимая во внимание (1.3) и (1.4) окончательно получаем (считаем, что поле существует в вакууме):
|
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Запишите функцию плотности тока смещения в зависимости от расстояния от оси соленоида (), если магнитное поле соленоида изменяется по закону: . R - радиус соленоида. Соленоид является прямым. Рассмотрите случай, когда |
| Решение | В качестве основ для решения задачи используем уравнение из системы уравнений Максвелла:
|
