Teil eins der Grundlagen der klassischen Elektrodynamik. Klassische Elektrodynamik, Einführung in die klassische Elektrodynamik, zusätzliche Kapitel. Grundgleichungen der Elektrodynamik

Das Buch ist eine Vorlesungsreihe über klassische Elektrodynamik, die der Autor viele Jahre lang im Grundstudium an der Physikfakultät der Staatlichen Universität St. Petersburg (Leningrad) gelesen hat. Der Kurs basiert auf grundlegenden Prinzipien wie den Maxwell-Gleichungen und dem Relativitätsprinzip, kombiniert in der relativistischen kovarianten Form der elektrodynamischen Gleichungen. Auf ihrer Grundlage werden die Grundgedanken und Methoden der Elektrostatik, der Strahlungstheorie, der Elektrodynamik kontinuierlicher Medien und der Wellenleitertheorie konsequent dargestellt. Der Stoff wird mit einem hohen Maß an mathematischer Strenge präsentiert, die sich nahtlos mit einer klaren Darstellung der physikalischen Inhalte verbindet. Das Buch kann für jeden nützlich sein, der über Grundkenntnisse auf dem Gebiet der elektrischen Phänomene und der mathematischen Analyse verfügt und ein klares und mathematisch fundiertes Verständnis sowohl der theoretischen Grundlagen als auch der Methoden zur Lösung der komplexesten Probleme der Elektrodynamik erlangen möchte.

Fragment aus dem Buch.
Zusammenfassung: Bei der Betrachtung funktechnischer Probleme vom Typ „Wie strahlt diese Antenne?“ sind wir natürlich nur an dem von ihr selbst erzeugten Feld interessiert, und um externe freie Felder auszuschließen, ist es selbstverständlich, die notwendigen asymptotischen Bedingungen aufzustellen im Unendlichen auf den Potentialen. Mit dieser Formulierung fixieren die oben genannten Eichbedingungen die Potentiale eindeutig. Wenn wir uns jedoch für die freien Felder selbst interessieren (was bei der Formulierung von Problemen beispielsweise in der Quantenfeldtheorie selbstverständlich ist), können wir keine Bedingungen aufstellen, die genau diese Felder ausschließen.

Vorwort
1 Allgemeine Einführung
1.1 Maxwell-Gleichungen.
1.2 Mathematischer Exkurs: Notationskonventionen, Referenzformeln.
1.3 Integralform der Maxwell-Gleichungen.
1.4 Die Beziehung zwischen den Differential- und Integralformen der Maxwell-Gleichungen bei Vorhandensein von Diskontinuitätsflächen. Randbedingungen (Matching-Bedingungen).
1.5 Kontinuitätsgleichung, Ladungserhaltungssatz.
1.6 Übergang von Spannungen zu Potenzialen. Maxwellsche Gleichungen für Potentiale.
1.7 Kalibriertransformationen und Kalibrierbedingungen.
2 Relativistisch-kovariante Formulierung der Elektrodynamik
2.1 Bezeichnungen.
2.2 Tensoren auf der SO3-Rotationsgruppe und auf der 03-Gruppe.
2.3 Tensorfelder.
2.4 Elektrodynamik und Relativitätsprinzip.
2.5 Lorentz-Transformationen, allgemeine Eigenschaften.
2.6 Lorentz-Eigentransformationen. Explizite Form der Transformationen des Übergangs zu einem bewegten Bezugssystem.
2.7 Relativistisches Gesetz der Addition von Geschwindigkeiten. Reduzierung der Maßstabs- und Dehnungszeit.
2.8 Tensoren und Tensorfelder der Lorentzgruppe.
2.9 Tensorcharakter von Potentialen und Spannungen.
2.10 Kovariante Formulierung der Maxwell-Gleichungen für Potentiale.
2.11 Transversalität K, Kontinuitätsgleichung, Eichinvarianz der Maxwellschen Gleichungen, Eichbedingungen.
2.12 Allgemeine Überlegungen zur Form der Maxwellschen Gleichungen für Potentiale.
2.13 Kovariante Aufzeichnung der Maxwellschen Gleichungen für Spannungen.
2.14 Transformationen von Potentialen und Spannungen beim Übergang in ein bewegtes Bezugssystem.
2.15 Elektrodynamik aus der Sicht der theoretischen Mechanik. Wirkungsfunktion für elektromagnetisches Feld.
2.16 Energie-Impuls-Tensor. Gesetze zur Erhaltung von Energie und Impuls.
2.17 Elemente der relativistischen Dynamik eines Punktteilchens. Lorentzkraft.
3 Statik
3.1 Grundlegende Beziehungen.
3.2 Lösung der Poisson-Gleichung.
3.3 Multipolentwicklung des Skalarpotentials
in der Elektrostatik. Multipolmomente und ihre Eigenschaften.
3.4 Mehrfeldentwicklung des Vektorpotentials A in der Magnetostatik. Magnetisches Moment eines beliebigen Stromsystems.
3.5 Kräfte und Kräftemomente. Einwirken auf verteilte Quellen.
3.6 Potenzielle Energie eines Systems aus Ladungen oder Strömen
in einem bestimmten externen Feld.
3.7 Eigene potentielle Energie eines Systems aus Ladungen oder Strömen (Energie im eigenen Feld).
3.8 Dielektrika und Magnete (Statik).
3.9 Grundlagen der Thermodynamik von Dielektrika und Magneten. Volumenkräfte in Dielektrika und Magneten.
3.10 Randwertprobleme der Elektrostatik und Methoden zu ihrer Lösung....
4 Dynamik
4.1 Problemstellung, allgemeine Lösungsform.
4.2 Retardierte Green-Funktion des Wellenoperators....
4.3 Verzögerte Potenziale.
4.4 Feld einer beliebig bewegten Punktladung. Liénard-Wiechert-Potenziale. Strahlungsleistung und Strahlungsmuster.
4.5 Strahlung aus lokalisierten Quellen, Multipolzerlegung.
4.6 Linearantenne mit zentraler Erregung.
4.7 Maxwells dynamische Gleichungen in einem Medium.
4.8 Wellenleiter.
Literatur-Themenindex

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§ 1. Coulombsches Gesetz
§ 2. Elektrische Feldstärke
§ 3. Satz von Gauß
§ 4. Differentialform des Satzes von Gauß
§ 5. Die zweite Gleichung der Elektrostatik und des Skalarpotentials
§ 6. Oberflächenverteilungen von Ladungen und Dipolen. Elektrisches Feld und Potentialsprünge
§ 7. Laplace- und Poisson-Gleichungen
§ 8. Satz von Green
§ 9. Eindeutigkeit der Lösung unter Dirichlet- oder Neumann-Randbedingungen
§ 10. Formale Lösung von Randwertproblemen der Elektrostatik mit der Greenschen Funktion
§ 11. Potenzielle Energie und Energiedichte des elektrostatischen Feldes
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Bildmethode
§ 2. Punktladung in der Nähe eines geerdeten kugelförmigen Leiters
§ 3. Punktladung in der Nähe eines geladenen isolierten kugelförmigen Leiters
§ 4. Punktladung in der Nähe eines kugelförmigen Leiters mit gegebenem Potential
§ 5. Kugelleiter in einem gleichmäßigen elektrischen Feld
§ 6. Inversionsmethode
§ 7. Greensche Funktion für eine Kugel. Allgemeiner Ausdruck für Potenzial
§ 8. Zwei benachbarte leitende Halbkugeln mit unterschiedlichen Potentialen
§ 9. Erweiterung in orthogonalen Funktionen
§ 10. Trennung von Variablen. Laplace-Gleichung in kartesischen Koordinaten
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Laplace-Gleichung in sphärischen Koordinaten
§ 2. Legendres Gleichung und Legendres Polynome
§ 3. Randwertprobleme mit azimutaler Symmetrie
§ 4. Zugehörige Legendre-Funktionen und sphärische Harmonische
§ 5. Additionssatz für sphärische Harmonische
§ 6. Laplace-Gleichung in Zylinderkoordinaten. Bessel-Funktionen
§ 7. Randwertprobleme in Zylinderkoordinaten
§ 8. Entwicklung der Green-Funktionen in sphärischen Koordinaten
§ 9. Finden des Potenzials mithilfe von Erweiterungen für sphärische Green-Funktionen
§ 10. Entwicklung der Green-Funktionen in Zylinderkoordinaten
§ 11. Erweiterung der Green-Funktionen durch Eigenfunktionen
§ 12. Gemischte Randbedingungen. Geladene leitfähige Scheibe
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Multipolentwicklung
§ 2. Erweiterung der Energieverteilung von Ladungen in einem externen Feld in Multipole
§ 3. Makroskopische Elektrostatik. Auswirkungen der kombinierten Wirkung von Atomen
§ 4. Isotrope Dielektrika und Randbedingungen
§ 5. Grenzwertprobleme in Gegenwart von Dielektrika
§ 6. Polarisierbarkeit von Molekülen und dielektrische Suszeptibilität
§ 7. Modelle der Polarisierbarkeit von Molekülen
§ 8. Elektrische Feldenergie in einem Dielektrikum
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Einleitung und grundlegende Definitionen
§ 2. Gesetz von Biot und Savart
§ 3. Differentialgleichungen der Magnetostatik und das Amperesche Gesetz
§ 4. Vektorpotential
§ 5. Vektorpotential und magnetische Induktion einer kreisförmigen Stromschleife
§ 6. Magnetfeld begrenzter Stromverteilung. Magnetisches Moment
§ 7. Kraft und Drehmoment, die auf eine begrenzte Stromverteilung in einem externen Magnetfeld wirken
§ 8. Makroskopische Gleichungen
§ 9. Randbedingungen für magnetische Induktion und Feld
§ 10. Gleichmäßig magnetisierte Kugel
§ 11. Magnetisierter Ball in einem externen Feld. Permanentmagnete
§ 12. Magnetische Abschirmung. Kugelschale aus magnetischem Material in einem gleichmäßigen Feld
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Faradaysches Induktionsgesetz
§ 2. Magnetfeldenergie
§ 3. Maxwellscher Verschiebungsstrom. Maxwells Gleichungen
§ 4. Vektor- und Skalarpotentiale
§ 5. Eichtransformationen. Lorentz-Messgerät. Coulomb-Messgerät
§ 6. Greensche Funktion für die Wellengleichung
§ 7. Problem mit Anfangsbedingungen. Kirchhoff-Integraldarstellung
§ 8. Satz von Poynting
§ 9. Erhaltungsgesetze für ein System geladener Teilchen und elektromagnetischer Felder
§ 10. Makroskopische Gleichungen
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Ebene Wellen in einem nichtleitenden Medium
§ 2. Lineare und zirkulare Polarisation
§ 3. Überlagerung von Wellen in einer Dimension. Gruppengeschwindigkeit
§ 4. Beispiele für die Impulsausbreitung in einem dispersiven Medium
§ 5. Reflexion und Brechung elektromagnetischer Wellen an einer flachen Grenzfläche zwischen Dielektrika
§ 6. Polarisation während der Reflexion und Totalreflexion
§ 7. Wellen in einem leitenden Medium
§ 8. Einfaches Leitfähigkeitsmodell
§ 9. Transversalwellen in verdünntem Plasma
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Felder auf der Oberfläche und im Inneren eines Leiters
§ 2. Zylindrische Resonatoren und Wellenleiter
§ 3. Wellenleiter
§ 4. Wellen in einem rechteckigen Wellenleiter
§ 5. Energiefluss und Dämpfung in Wellenleitern
§ 6. Resonatoren
§ 7. Leistungsverluste im Resonator. Qualitätsfaktor des Resonators
§ 8. Dielektrische Wellenleiter
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Felder, die von begrenzt oszillierenden Quellen erzeugt werden
§ 2. Elektrisches Dipolfeld und Strahlung
§ 3. Magnetische Dipol- und elektrische Quadrupolfelder
§ 4. Linearantenne mit zentraler Erregung
§ 5. Kirchhoff-Integral
§ 6. Vektoräquivalente des Kirchhoff-Integrals
§ 7. Babinet-Prinzip für zusätzliche Bildschirme
§ 8. Beugung an einem runden Loch
§ 9. Beugung durch kleine Löcher
§ 10. Streuung kurzer Wellen durch eine leitende Kugel
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Einführung und Grundkonzepte
§ 2. Gleichungen der Magnetohydrodynamik
§ 3. Magnetische Diffusion, Viskosität und Druck
§ 4. Magnetohydrodynamischer Fluss zwischen Grenzen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
§ 5. Pinch-Effekt
§ 6. Dynamisches Modell des Pinch-Effekts
§ 7. Instabilitäten einer komprimierten Plasmasäule
§ 8. Magnetohydrodynamische Wellen
§ 9. Hochfrequente Plasmaschwingungen
§ 10. Kurzwellige Plasmaschwingungen. Debye-Abschirmungsradius
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Historischer Hintergrund und Hauptexperimente
§ 2. Postulate der speziellen Relativitätstheorie und der Lorentz-Transformation
§ 3. Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion und Zeitdilatation
§ 4. Addition von Geschwindigkeiten. Aberration und Fizeaus Erfahrung. Doppler-Verschiebung
§ 5. Thomas-Präzession
§ 6. Richtige Zeit und der Lichtkegel
§ 7. Lorentz-Transformationen als orthogonale Transformationen im vierdimensionalen Raum
§ 8. Vier Vektoren und vier Tensoren. Kovarianz physikalischer Gleichungen
§ 9. Kovarianz elektrodynamischer Gleichungen
§ 10. Transformation des elektromagnetischen Feldes
§ 11. Kovarianz des Ausdrucks für die Lorentzkraft und Erhaltungssätze
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Impuls und Energie eines Teilchens
§ 2. Kinematik von Fragmenten beim Zerfall eines instabilen Teilchens
§ 3. Umstellung auf das Schwerpunktsystem und Reaktionsschwellen
§ 4. Umwandlung von Impuls und Energie vom Schwerpunktsystem in das Laborsystem
§ 5. Kovariante Bewegungsgleichungen. Lagrange- und Hamilton-Operator für ein relativistisch geladenes Teilchen
§ 6. Relativistische Korrekturen erster Ordnung für die Lagrange-Funktionen wechselwirkender geladener Teilchen
§ 7. Bewegung in einem gleichmäßigen statischen Magnetfeld
§ 8. Bewegung in gleichmäßigen statischen elektrischen und magnetischen Feldern
§ 9. Teilchendrift in einem ungleichmäßigen statischen Magnetfeld
§ 10. Adiabatische Invarianz des magnetischen Flusses durch die Umlaufbahn eines Teilchens
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Energieübertragung bei Coulomb-Kollisionen
§ 2. Energieübertragung auf einen harmonischen Oszillator
§ 3. Klassischer und quantenmechanischer Ausdruck für Energieverluste
§ 4. Einfluss der Dichte auf den Energieverlust bei Kollision
§ 5. Energieverluste im Elektronenplasma
§ 6. Elastische Streuung schneller Teilchen durch Atome
§ 7. Effektiver Mittelwert des Streuwinkels und Winkelverteilung für Mehrfachstreuung
§ 8. Elektrische Leitfähigkeit von Plasma
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Lienard-Wiechert-Potenziale und das Feld einer Punktladung
§ 2. Gesamtleistung, die von einer beschleunigten beweglichen Ladung abgegeben wird. Larmores Formel und ihre relativistische Verallgemeinerung
§ 3. Winkelverteilung der Strahlung einer beschleunigten Ladung
§ 4. Ladungsemission während willkürlicher ultrarelativistischer Bewegung
§ 5. Spektrale und Winkelverteilungen der von beschleunigten Ladungen emittierten Energie
§ 6. Strahlungsspektrum eines relativistischen geladenen Teilchens während der momentanen Bewegung im Kreis
§ 7. Streuung durch kostenlose Gebühren. Thomsons Formel
§ 8. Kohärente und inkohärente Streuung
§ 9. Vavilov-Cherenkov-Strahlung
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Strahlung bei Kollisionen
§ 2. Bremsstrahlung bei nichtrelativistischen Coulomb-Kollisionen
§ 3. Bremsstrahlung bei relativistischer Bewegung
§ 4. Wirkung der Abschirmung. Strahlungsverluste im relativistischen Fall
§ 5. Virtuelle Photonenmethode nach Weizsäcker-Williams
§ 6. Bremsstrahlung als Streuung virtueller Photonen
§ 7. Strahlung vom Betazerfall
§ 8. Strahlung beim Einfangen von Orbitalelektronen. Verschwinden von Ladung und magnetischem Moment
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Eigenfunktionen der Skalarwellengleichung
§ 2. Erweiterung elektromagnetischer Felder zu Multipolen
§ 3. Eigenschaften von Multipolfeldern. Energie und Drehimpuls der Multipolstrahlung
§ 4. Winkelverteilung der Multipolstrahlung
§ 5. Quellen multipolarer Strahlung. Multipolmomente
§ 6. Multipolstrahlung atomarer und nuklearer Systeme
§ 7. Strahlung einer linearen Antenne mit zentraler Anregung
§ 8. Entwicklung einer Vektorebenenwelle in Kugelwellen
§ 9. Streuung elektromagnetischer Wellen an einer leitenden Kugel
§ 10. Randwertprobleme mithilfe von Multipolentwicklungen lösen
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Einleitende Bemerkungen
§ 2. Bestimmung der Strahlungsreaktionskraft aus dem Energieerhaltungssatz
§ 3. Berechnung der Strahlungsreaktionskraft nach Abraham und Lorentz
§ 4. Schwierigkeiten des Abraham-Lorentz-Modells
§ 5. Transformationseigenschaften des Abraham-Lorentz-Modells. Poincaré-Spannungen
§ 6. Kovariante Bestimmung der intrinsischen elektromagnetischen Energie und des Impulses eines geladenen Teilchens
§ 7. Integro-Differential-Bewegungsgleichung unter Berücksichtigung der Strahlungsdämpfung
§ 8. Linienbreite und Pegelverschiebung für den Oszillator
§ 9. Streuung und Absorption von Strahlung durch einen Oszillator
Literatur-Empfehlungen
Aufgaben

§ 1. Maßeinheiten und Abmessungen. Grundlegende und abgeleitete Einheiten
§ 2. Maßeinheiten und Gleichungen der Elektrodynamik
§ 3. Verschiedene Systeme elektromagnetischer Einheiten
§ 4. Übersetzung von Formeln und Zahlenwerten von Größen vom Gaußschen Einheitensystem in das MKS-System

MINISTERIUM FÜR BILDUNG UND WISSENSCHAFT RUSSLANDS BUNDESHAUSHALTSPLAN

BILDUNGSEINRICHTUNG DER HÖHEREN

BERUFLICHE AUSBILDUNG

„Don State Technical University“

(DSTU)

Prüfung

durch Disziplin „Konzepte der modernen Naturwissenschaft“

Thema Nr. 1.25 Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Elektrodynamisches Weltbild.

Durchgeführt: Onuchina A.A.

Student 1 Kursrichtung der Vorbereitung Fernstudium

Gruppe GRÖSSE11 Notenbuch Nr. 1573242

Geprüft ________________

Rostow am Don

Planen:

1. Geschichte der Elektrodynamik……………………………………………………..3

2. Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik.…………….…… 5

3. Elektrodynamisches Weltbild.…………………..………………………10

Referenzliste……..………………………………….……13

Geschichte der Elektrodynamik.

Klassische Elektrodynamik ist eine Theorie elektromagnetischer Prozesse in verschiedenen Medien und im Vakuum. Umfasst eine große Reihe von Phänomenen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen durch ein elektromagnetisches Feld die Hauptrolle spielen.

Die Geschichte der Elektrodynamik ist die Geschichte der Entwicklung grundlegender physikalischer Konzepte. Bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts wurden mit der Elektrizität wichtige experimentelle Ergebnisse erzielt: Anziehung und Abstoßung, die Aufteilung von Stoffen in Leiter und Isolatoren, die Existenz zweier Arten von Elektrizität wurde entdeckt. Bei der Erforschung des Magnetismus wurden Fortschritte erzielt.

Die praktische Nutzung der Elektrizität begann in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Der Name Fraclin (1706-1790) ist mit der Entstehung der Hypothese über Elektrizität als einer besonderen materiellen Substanz verbunden. Im Jahr 1785 stellte C. Coulomb das Gesetz der Wechselwirkung zweier Punktladungen auf. Mit dem Namen A. Volta (1745-1827) sind eine Reihe von Erfindungen elektrischer Messgeräte verbunden. Das Ohmsche Gesetz wurde 1826 eingeführt. Im Jahr 1820 entdeckte Oersted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Im Jahr 1820 wurde ein Gesetz aufgestellt, das die mechanische Kraft bestimmt, mit der ein Magnetfeld auf ein in es eingeleitetes elektrisches Stromelement einwirkt – das Ampere-Gesetz. Ampere begründete auch das Gesetz der Kraftwechselwirkung zwischen zwei Strömen.

Von besonderer Bedeutung in der Physik ist die 1820 von Ampere vorgeschlagene Hypothese der molekularen Ströme.

Im Jahr 1831 entdeckte Faraday das Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Im Jahr 1873 skizzierte James Clerk Maxwell (1831-1879) kurze Gleichungen, die zur theoretischen Grundlage der Elektrodynamik wurden. Eine der Konsequenzen von Maxwells Gleichungen war die Vorhersage der EM-Natur des Lichts, und er sagte auch die Möglichkeit der Existenz von EM-Wellen voraus. Nach und nach entwickelte die Wissenschaft eine Vorstellung vom EM-Feld als einer unabhängigen materiellen Einheit, die der Träger von EM-Wechselwirkungen im Raum ist. Die verschiedenen elektrischen und magnetischen Phänomene, die Menschen seit jeher beobachten, haben schon immer ihre Neugier und ihr Interesse geweckt. Am häufigsten bezieht sich der Begriff Elektrodynamik auf die klassische Elektrodynamik, die nur die kontinuierlichen Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes beschreibt. Das elektromagnetische Feld ist das Hauptthema der Untersuchung der Elektrodynamik, einer Materieart, die sich bei der Wechselwirkung mit geladenen Körpern manifestiert. Im Jahr 1895 machte Popov A.S. die größte Erfindung – das Radio. Es hatte enorme Auswirkungen auf die spätere Entwicklung von Wissenschaft und Technologie. Alle elektromagnetischen Phänomene können mit den Maxwell-Gleichungen beschrieben werden, die einen Zusammenhang zwischen den Größen herstellen, die elektrische und magnetische Felder charakterisieren, und der Verteilung von Ladungen und Strömen im Raum.

Entstehung und Entwicklung der klassischen Elektrodynamik

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Elektrodynamik war die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion – der Anregung der elektromotorischen Kraft in Leitern durch ein magnetisches Wechselfeld – durch M. Faraday, das zur Grundlage der Elektrotechnik wurde.

Michael Faraday – englischer Physiker, wurde am Stadtrand von London in der Familie eines Schmieds geboren. Nach dem Abschluss der Grundschule arbeitete er ab seinem zwölften Lebensjahr als Zeitungsausträger und wurde 1804 Lehrling beim Buchbinder Ribot, einem französischen Emigranten, der Faradays leidenschaftlichen Wunsch nach Selbsterziehung auf jede erdenkliche Weise förderte. Durch Lektüre und den Besuch von Vorlesungen versuchte Faraday, sein Wissen zu erweitern, und er fühlte sich vor allem von den Naturwissenschaften – Chemie und Physik – angezogen. Im Jahr 1813 überreichte einer der Kunden Faraday Einladungskarten zu Vorträgen von Humphry Davy, die eine entscheidende Rolle für das Schicksal des jungen Mannes spielten. Nachdem Faraday einen Brief an Davy gerichtet hatte, erhielt er mit seiner Hilfe eine Stelle als Laborassistent an der Royal Institution.

Faradays wissenschaftliche Tätigkeit fand innerhalb der Mauern der Royal Institution statt, wo er Davy zunächst bei chemischen Experimenten half und dann mit der unabhängigen Forschung begann. Faraday verflüssigte Chlor und einige andere Gase und gewann Benzol. Im Jahr 1821 beobachtete er erstmals die Rotation eines Magneten um einen stromführenden Leiter und eines stromführenden Leiters um einen Magneten und schuf das erste Modell eines Elektromotors. In den nächsten 10 Jahren untersuchte Faraday den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen. Seine Forschungen gipfelten 1831 in der Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Faraday untersuchte dieses Phänomen im Detail, leitete sein Grundgesetz ab, fand die Abhängigkeit des Induktionsstroms von den magnetischen Eigenschaften des Mediums heraus, untersuchte das Phänomen der Selbstinduktion und der Extraströme beim Schließen und Öffnen.

Die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion erlangte sofort enorme wissenschaftliche und praktische Bedeutung; Dieses Phänomen liegt beispielsweise dem Betrieb aller Gleich- und Wechselstromgeneratoren zugrunde. Der Wunsch, die Natur des elektrischen Stroms herauszufinden, veranlasste Faraday zu Experimenten zum Stromdurchgang durch Lösungen von Säuren, Salzen und Laugen. Das Ergebnis dieser Studien war die Entdeckung der Gesetze der Elektrolyse im Jahr 1833. Im Jahr 1845 entdeckte Faraday das Phänomen der Rotation der Polarisationsebene von Licht in einem Magnetfeld. Im selben Jahr entdeckte er den Diamagnetismus, 1847 den Paramagnetismus und erfand 1833 das Voltmeter.

Faradays Vorstellungen über elektrische und magnetische Felder hatten großen Einfluss auf die Entwicklung der gesamten Physik. Im Jahr 1832 schlug Faraday vor, dass die Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkungen ein Wellenprozess sei, der mit endlicher Geschwindigkeit abläuft, und im Jahr 1845 verwendete er erstmals den Begriff „Magnetfeld“.

Faradays Entdeckungen fanden in der gesamten wissenschaftlichen Welt große Anerkennung. Zu Ehren von Michael Faraday hat die British Chemical Society die Faraday-Medaille ins Leben gerufen, eine der angesehensten wissenschaftlichen Auszeichnungen.

Er versuchte, das Phänomen der elektromagnetischen Induktion auf der Grundlage des Konzepts der Wirkung über große Entfernungen zu erklären, stieß jedoch auf Schwierigkeiten und schlug vor, dass elektromagnetische Wechselwirkungen durch ein elektromagnetisches Feld erfolgen, basierend auf dem Konzept der Wirkung über kurze Entfernungen. Dies markierte den Beginn der Entstehung des von D. Maxwell formalisierten Konzepts des elektromagnetischen Feldes. James Clerk Maxwell – englischer Physiker. Geboren in Edinburgh. Unter seiner Führung entstand das berühmte Cavendish Laboratory in Cambridge, das er bis zu seinem Lebensende leitete.

Maxwells Arbeiten widmen sich der Elektrodynamik, der Molekularphysik, der allgemeinen Statistik, der Optik, der Mechanik und der Elastizitätstheorie. Maxwell leistete seine bedeutendsten Beiträge zur Molekularphysik und Elektrodynamik. In der kinetischen Theorie der Gase, deren Begründer er ist, etablierte er die Geschvon Molekülen auf der Grundlage der Berücksichtigung direkter und umgekehrter Stöße, entwickelte die Theorie des Transfers in allgemeiner Form und wandte sie auf die Prozesse von an Diffusion, Wärmeleitfähigkeit und innere Reibung und führte das Konzept der Entspannung ein. Im Jahr 1867 zeigte der erste die statistische Natur des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und im Jahr 1878 führte er den Begriff „statistische Mechanik“ ein.

Maxwells größte wissenschaftliche Errungenschaft ist die Theorie des elektromagnetischen Feldes, die er 1860–1865 entwickelte. In seiner Theorie des elektromagnetischen Feldes verwendete Maxwell ein neues Konzept – den Verschiebungsstrom –, definierte das elektromagnetische Feld und sagte einen neuen wichtigen Effekt voraus: die Existenz elektromagnetischer Strahlung, elektromagnetischer Wellen im freien Raum und deren Ausbreitung im Raum mit Lichtgeschwindigkeit. Der Wissenschaftler formulierte auch einen Satz in der Elastizitätstheorie, stellte Beziehungen zwischen den wichtigsten thermophysikalischen Parametern her, entwickelte die Theorie des Farbsehens und untersuchte die Stabilität der Saturnringe und zeigte, dass die Ringe weder fest noch flüssig sind, sondern ein Schwarm von Meteoriten. Maxwell entwarf eine Reihe von Instrumenten. Er war ein berühmter Verfechter des physikalischen Wissens.

1) Das Magnetfeld wird durch bewegte Ladungen und ein elektrisches Wechselfeld (Verschiebungsstrom) erzeugt.

2) ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien (Wirbelfeld) wird durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt;

3) Die magnetischen Feldlinien sind immer geschlossen (das bedeutet, dass es keine Quellen gibt – magnetische Ladungen, die den elektrischen ähnlich sind);

4) Ein elektrisches Feld mit offenen Kraftlinien (Potentialfeld) wird durch elektrische Ladungen – die Quellen dieses Feldes – erzeugt.

James Maxwells Theorie impliziert die Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wechselwirkungen und die Existenz elektromagnetischer Wellen. Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes ist eine grundlegende Verallgemeinerung der Elektrodynamik und nimmt daher zu Recht einen Ehrenplatz unter den größten wissenschaftlichen Errungenschaften der Menschheit wie der klassischen Mechanik, der relativistischen Physik und der Quantenmechanik ein. In den Jahren 1861–1862 veröffentlichte James Maxwell seinen Artikel über physikalische Kraftlinien. Basierend auf dem praktischen Zusammentreffen der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Störungen und der Lichtgeschwindigkeit schlug Maxwell vor, dass Licht ebenfalls eine elektromagnetische Störung ist. Und diese Idee, die für die damalige Zeit absolut fantastisch erschien, begann plötzlich experimentelle Bestätigung zu finden.

Und alles schien in Ordnung zu sein, aber im Jahr 1885 schrieb ein gewisser Lehrer an einer Mädchenschule in Basel, Johann Jakob Balmer, nach seinen Experimenten einen kurzen Artikel, buchstäblich ein paar Seiten lang, in dem es hieß: „Achten Sie auf die Spektrallinien von Wasserstoff.“ Was die theoretischen Physiker für die nächsten zwei Jahrzehnte in einen Zustand der Benommenheit versetzte. Die klaren Spektrallinien der Balmer-Serie zeigten der weltweiten physikalischen Wissenschaftsgemeinschaft deutlich, dass auf dieser Welt nicht alles so einfach ist.

Die Entwicklung der klassischen Elektrodynamik nach Maxwell verlief in mehrere Richtungen, von denen wir zwei Hauptrichtungen erwähnen. Erstens wurde die mathematische Seite von Maxwells Theorie verbessert und einige neue Ergebnisse erzielt. Zweitens kam es zu einer Vereinigung der Theorie des elektromagnetischen Feldes mit den Grundideen der Theorie des Aufbaus der Materie. Die letztere Richtung führte zur Entstehung der elektronischen Theorie.

Erwähnen möchte ich auch den herausragenden deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz. Er schloss sein Studium an der Universität Berlin ab und war von 1885 bis 1889 Professor für Physik an der Universität Karlsruhe. Seit 1889 - Professor für Physik an der Universität Bonn.

Die wichtigste Errungenschaft ist die experimentelle Bestätigung von James Maxwells elektromagnetischer Lichttheorie. Hertz bewies die Existenz elektromagnetischer Wellen.

Er konstruierte die Elektrodynamik bewegter Körper auf der Grundlage der Hypothese, dass der Äther von bewegten Körpern weggetragen wird. Seine Theorie der Elektrodynamik wurde jedoch nicht durch Experimente bestätigt und wich später der elektronischen Theorie von Hendrik Lorentz. Die von Hertz erzielten Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Entstehung des Radios. Im Jahr 1886 beobachtete und beschrieb Hertz erstmals den externen photoelektrischen Effekt. Hertz entwickelte die Theorie eines Resonanzkreises, untersuchte die Eigenschaften von Kathodenstrahlen und untersuchte die Wirkung ultravioletter Strahlen auf elektrische Entladungen. Seit 1933 ist die Frequenzeinheit Hertz, die im internationalen metrischen Einheitensystem SI enthalten ist, nach Hertz benannt.

Die Physik ist eine der wichtigsten Wissenschaften, die der Mensch studiert. Seine Präsenz macht sich in allen Lebensbereichen bemerkbar, manchmal verändern Entdeckungen sogar den Lauf der Geschichte. Deshalb sind große Physiker für die Menschen so interessant und bedeutsam.

Elektrodynamik ist ein Fachgebiet der Physik, das die Eigenschaften und Verhaltensmuster des elektromagnetischen Feldes und die Bewegung miteinander interagierender elektrischer Ladungen durch dieses Feld untersucht.

Viele große Physiker haben ihr Leben der Suche nach Antworten auf Fragen gewidmet, die die Menschheit braucht. Die Welt steht nicht still, alles fließt und verändert sich, der Planet dreht sich um seine Achse, ein Gewitter kommt immer mit Blitz und Donner und Blätter fallen zu Boden. Und es waren die auf den ersten Blick einfachen Dinge, die das Interesse eines Menschen für die exakten und naturwissenschaftlichen Wissenschaften weckten.

Verwandte Informationen.

EINLEITUNG Die Theorie des elektromagnetischen Feldes als Teil der Vorlesung „Physikalische Grundlagen der Quantenelektronik“. Der Schwerpunkt liegt auf elektromagnetischen Wellen und deren optischer Reichweite. Verbindung der elektromagnetischen Feldtheorie mit anderen Teilgebieten der Physik. Optische Medien. Die Rolle elektromagnetischer Wellen. Vergleich mit akustischen und anderen Wellen (Wellentheorie). Photonen sind Elementarteilchen (und keine Quasiteilchen wie Phononen). Äther und Vakuum. Lineare und nichtlineare Wellen.

Maxwellsche Gleichungen in einem kontinuierlichen Medium SGS SI Gaußsches Gesetz Elektrische Ladung ist eine Quelle elektrischer Induktion Gaußsches Gesetz für ein Magnetfeld Es gibt keine magnetischen Ladungen Faradaysches Induktionsgesetz Eine Änderung der magnetischen Induktion erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld. Satz über die Zirkulation magnetischer Felder . Felder Elektrischer Strom und Änderungen der elektrischen Induktion erzeugen ein Wirbelmagnetfeld -------- _________

Maxwell-Gleichungen, Integralform des SGS SI Gaußsches Gesetz Der Fluss der elektrischen Induktion durch eine geschlossene Oberfläche S ist proportional zur Menge an freier Ladung, die sich innerhalb der Oberfläche S befindet Gaußsches Gesetz für magnetische. Felder Der magnetische Induktionsfluss durch eine geschlossene Oberfläche S ist gleich Null. Faradaysches Induktionsgesetz Die Änderung des magnetischen Induktionsflusses durch eine offene Oberfläche S, mit umgekehrtem Vorzeichen, ist proportional zur Zirkulation des elektrischen Feldes eine geschlossene Schleife l, die die Grenze der Oberfläche S darstellt. Theorem über die Zirkulation des magnetischen Gesamtfeldes. Der Strom freier Elektronen und die Änderung des elektrischen Induktionsflusses durch die offene Oberfläche S sind proportional zur Zirkulation des magnetischen Feldes Feld auf einer geschlossenen Schleife l, die die Grenze der Oberfläche S S ist, ist eine zweidimensionale Oberfläche, die für den Satz von Gauß geschlossen und für die Gesetze von Faraday und Ampere offen ist (ihre Grenze ist eine geschlossene Schleife). – elektrische Ladung im Volumen V, begrenzt durch die Oberfläche S. – elektrischer Strom, der durch die Oberfläche S fließt.

Materialgleichungen Beziehungen zwischen D, B, E und H In einem Vakuum D = E, B = H In einem Medium können Materialgleichungen die Form nicht-lokaler zeitlicher und räumlicher und nichtlinearer Beziehungen annehmen (wird später angegeben) .

Übungen Leiten Sie das Coulomb-Gesetz für eine Punktladung im Vakuum aus den Maxwell-Gleichungen her. Überprüfen Sie die Erfüllung aller Maxwell-Gleichungen. Finden Sie die elektrische Spannung. Felder einer Kugel mit gleichmäßiger Ladungsdichte. Finden Sie die elektrische Spannung. Felder einer Ringschicht mit gleichmäßiger Ladungsdichte. - Haus. Aufgabe Finden Sie die Ladungsdichteverteilung, wenn die elektrische Spannungsverteilung bekannt ist. Felder, in denen A und n Konstanten sind. Erklären Sie die physikalische Bedeutung des Ergebnisses für n = -3.

„Quadrat“ z. -M. Felder Wir betrachten räumlich und zeitlich begrenzte Feldpakete (mit endlicher Energie) Wir integrieren über die Zeit innerhalb unendlicher Grenzen – der „Fläche“ des Elektrischen. Feld – Rotationsvektor Wir integrieren über den Raum (Volumen) innerhalb unendlicher Grenzen – die „Fläche“ des Magnetfelds bleibt erhalten. Diese allgemeinen (für jede Art von Materialgleichungen) Beziehungen sind nützlich, um die Genauigkeit der Modellierung der Felddynamik zu kontrollieren.

Maxwellsche Gleichungen im Vakuum (SGS) Lehrbuch: N. N. Rozanov. Spezielle Mattenabschnitte. Physik. Teil I. Elektromagnetische Wellen im Vakuum. 2005. D = E, B = H, ρ = 0, j = 0 Anwendbarkeitsbedingungen: 1. Inertialer Bezugsrahmen 2. Gravitationseffekte 3. Quantenbeschränkungen für schwache und starke Felder

Quantenbeschränkungen in schwachen Feldern Maxwells Gleichungen entsprechen einer Kontinuumsbeschreibung (und nicht einer diskreten Beschreibung). Damit sie gültig sind, muss die Anzahl der Photonen in den Grundmoden N groß sein: N >> 1. Dieser Faktor ist wichtig bei der Analyse von Strahlungsrauschen und komprimierten Zuständen des elektromagnetischen Feldes (Quantenoptik).

Quantenbeschränkungen in starken Feldern Die Maxwell-Gleichungen berücksichtigen nicht die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Elektron-Positron-Paaren und die Auswirkungen der Vakuumpolarisation. Eine notwendige Bedingung für die Vernachlässigung dieser Effekte: (die Änderung der Ladungsenergie |e| in einem Feld der Stärke E in einem Abstand gleich der Compton-Wellenlänge des Elektrons RC = h /(mc) = 2, 4 10^(-10 ) cm sollte viel kleiner sein als mc^2, m – Elektronenmasse, h – Plancksches Wirkungsquantum, ħ = h / 2π). In Hochleistungslasersystemen werden Feldstärken nahe dem kritischen Bereich erreicht. Eine konsistente Theorie liefert die Quantenelektrodynamik. Das elektromagnetische Feld im Elektron-Positron-Vakuum wird näherungsweise durch die Gleichungen der Elektrodynamik kontinuierlicher Medien beschrieben. Die Compton-Wellenlänge eines Elektrons beschreibt seine „Verschmierung“; bei kürzeren Abständen ist die klassische Theorie nicht anwendbar.

Symmetrie der Maxwellschen Gleichungen im Vakuum Gleichheit von E und H im Vakuum ohne Ladungen. Gleichheit der Richtungen des Zeitflusses (im klassischen Vakuum gibt es keine Energiedissipation)

Vektorstruktur der Maxwell-Gleichungen ρ – Skalar (elektrische Ladungsdichte) E, D, j – polare dreidimensionale Vektoren H, B – axiale dreidimensionale Vektoren Bei Spiegelreflexion ändert sich die Richtung polarer Vektoren nicht, bei axialen hingegen nicht es wird durch das Gegenteil ersetzt. Heiraten. mit der Lorentzkraft Der Unterschied zwischen polaren und axialen Vektoren ist für die Erfassung nichtlinearer Suszeptibilitäten wesentlich.

Wellengleichung für nichtmagnetische Medien Nicht alle Lösungen der Wellengleichung dienen als Lösungen für die Maxwell-Gleichungen, da diese Lösungen die Gleichung möglicherweise nicht erfüllen. Tatsächlich führt diese Beziehung zu Einschränkungen hinsichtlich der Polarisationsstruktur der Strahlung. Wenn also magnetische Größen aus den Maxwell-Gleichungen ausgeschlossen werden, sollte die Gleichung zur Wellengleichung hinzugefügt werden

Dynamik von e. -M. Felder Für gegebene Materialbeziehungen lässt sich das Cauchy-Problem formulieren – die Folgewerte der Felder werden aus den Ausgangsdaten bestimmt. Es gibt zwei dynamische Gleichungen (die die Zeitableitung 1. Ordnung enthalten; die Frequenzdispersion wird hier vernachlässigt). Zwei „statische“ Gleichungen begrenzen die Art der Anfangsbedingungen. Beispiel – Vakuum ohne Gebühren ()

Dynamik von e. -M. Felder im Vakuum Maxwells Gleichungen enthalten Zeitableitungen erster Ordnung. Daher reicht die Einstellung der Stärken E und H zum Anfangszeitpunkt aus, um die weitere Dynamik des Feldes (+ Randbedingungen) zu bestimmen. Numerische Berechnungsmethode: FDTD – Finite-Differenzen-Zeitbereich. – Thema für die Abschlusspräsentation

Die Anfangsbedingungen (Vakuum) sind nicht beliebig. Wenn dies der Fall ist, bleiben die Werte zu späteren Zeitpunkten Null, da (div rot V = 0) aufgrund der Maxwell-Gleichungen mit div nur zwei Komponenten der Vektoren E 0 und H 0 möglich sind willkürlich angegeben werden, bestimmen diese Gleichungen die Art der dritten Komponenten. Sei zum Beispiel gegeben Then (f ist eine beliebige Funktion seiner Argumente)

Felddynamik (Cauchy-Problem)* Da die Maxwell-Gleichungen zeitlich erster Ordnung sind, ermöglichen die Anfangsbedingungen die Bestimmung der Werte der elektrischen und magnetischen Feldstärken zu späteren Zeitpunkten. Taylor-Entwicklungen für kleine Zeitintervalle:

Aufgaben Im Anfangsmoment t = 0 sind gegeben: Finden Sie die Folgewerte der Spannungen. - Haus. Aufgabe Zu einem bestimmten Zeitpunkt sind die Komponenten gegeben: Finden Sie den Typ der dritten Komponente E zum gleichen Zeitpunkt.

Evolutionäre Variable, Beispiel der Helmholtz-Gleichung Homogenes Medium (Vakuum), monochromatische Strahlung mit Frequenz ω Feste (lineare) Polarisation. Eine der Komponenten des Feldes f (Hadamard-Beispiel)

Cauchy-Problem für die Helmholtz-Gleichung Betrachten Sie einen Strahl monochromatischer Strahlung mit einer vorherrschenden Richtung entlang der z-Achse. Setzen wir die Werte von f und bei z = 0. Lösung der Helmholtz-Gleichung (Trennung von Variablen).

Cauchy-Problem für die Helmholtz-Gleichung Grenzwert Für endliches z Für Null-Anfangsdaten (im Grenzwert) gibt es eine Lösung, die für endliches z gegen Unendlich tendiert. Aber mit solchen Ausgangsdaten gibt es auch eine Nulllösung. Es besteht keine kontinuierliche Abhängigkeit der Lösung von den Ausgangsdaten. Die Problemstellung ist falsch. Physik. die Bedeutung ist Gegenwellen.

Kovariante Formulierung der Maxwellschen Gleichungen im Vakuum. Elektromagnetische Feldtensoren Elektrische und magnetische Feldstärken sind nicht absolut und haben unterschiedliche Größen in verschiedenen Trägheitsbezugssystemen, die sich mit der Geschwindigkeit V relativ zueinander bewegen. Die Aufgabe besteht darin, die relativistische Invarianz der Maxwell-Gleichungen zu zeigen und die Lorentz-Transformationen für das elektromagnetische Feld zu finden . Die Schreibweise der Gleichung ist relativistisch invariant, wenn sie in Form von Skalaren, 4-Vektoren und Tensoren geschrieben wird, für die Lorentz-Transformationen bekannt sind.

Kovariante Formulierung...* Einführung der 4-dimensionalen Raumzeit mit den Koordinaten xk, k = 0, 1, 2, 3 Eine weitere Lorentz-Transformation des Inertialkoordinatensystems für den Sonderfall, wenn die Geschwindigkeit V nur eine x-Komponente hat

Energie-Impuls-Tensor e. -M. Felder Symmetrie durch Indizes? Kronecker-Symbol für i = k und sonst 0. - Dichte z. -M. Energie, - Energieflussdichte. Der Energie-Impuls-Tensor (Feld und Medium) dient als Quelle der Raum-Zeit-Krümmung in Einsteins Gravitationsgleichungen.

Aufgaben 1. Ermitteln Sie die elektrischen und magnetischen Feldstärken einer Punktladung, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. 2. Überprüfen Sie die Invarianz der Größen und (E, H). 3. Überprüfen Sie, ob die kovariante Notation der Maxwell-Gleichungen zu einer Standardnotation für verschiedene Auswahlmöglichkeiten von Indizes führt. - Das ist alles zu Hause. Aufgaben

Gleichung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellenfronten Zuvor haben wir das Cauchy-Problem gelöst, das heißt, aus den anfänglichen Daten (bei t = 0) über die Feldstärken haben wir die nachfolgende Dynamik des Feldes bestimmt. Dies ist möglich, da Maxwells Gleichungen im Vakuum nur die ersten Ableitungen von Spannungen enthalten. Eine allgemeinere Formulierung des Problems der Dynamik: Uch. Handbuch, S. 13–17