La électrodynamique C'est la branche de la physique qui s'occupe de tout ce qui concerne le mouvement des charges électriques. Décrivez l'évolution dans le temps d'un ensemble de N particules de masse et de charge électrique, dont leur position initiale et leur vitesse sont connues..
S'il s'agit d'un grand ensemble de particules avec élan petit, son mouvement et les interactions qui ont lieu entre eux sont décrits macroscopiquement par l'électrodynamique classique, qui utilise les lois du mouvement de Newton et les lois de Maxwell.
Et si la quantité de mouvement des particules est grande et que le nombre de particules est petit, les effets relativistes et quantiques doivent être pris en compte..
L'ajout d'effets relativistes et quantiques à l'étude du système dépend de l'énergie des photons impliqués lors de 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 la quantité de mouvement des photons est faible, par rapport à la quantité de mouvement du système, la description classique est suffisante pour obtenir la caractérisation de ce.
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Les lois qui décrivent la dynamique des particules chargées ont été découvertes entre la fin du 18e siècle et le milieu du 19e siècle, lorsque le concept de courant électrique a émergé, à la suite des travaux expérimentaux et théoriques de nombreux scientifiques..
Le physicien italien Alessandro Volta (1745-1827) a réalisé le premier pieu voltaïque à l'aube du XIXe siècle. Avec lui, il a obtenu un courant continu, dont les effets ont commencé à être étudiés immédiatement.
Le lien entre les charges électriques en mouvement et le magnétisme a été révélé avec les expériences du physicien Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1820. On y a observé qu'un courant électrique était capable de déplacer l'aiguille de la boussole de la même manière que les aimants.
C'est André Marie Ampère (1775-1836) qui établit sous forme mathématique le lien entre courant et magnétisme, à travers la loi qui porte son nom.
Simultanément, Georg Simon Ohm (1789-1854) a étudié quantitativement la manière dont les matériaux conduisent l'électricité. Il a également développé le concept de résistance électrique et sa relation avec la tension et le courant, à travers la loi d'Ohm pour les circuits.
Michael Faraday (1791-1867) a trouvé un moyen de générer un courant grâce au mouvement relatif entre la source du 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..
De plus, à travers ses équations, Maxwell a prédit plusieurs effets qui ont été confirmés par la suite. Par exemple, lorsque Heinrich Hertz (1857-1894), découvreur des ondes radio, a vérifié qu'elles se déplaçaient à la vitesse de la lumière.
Avec l'avènement de la théorie de la relativité, au début du XXe siècle, il a été possible d'expliquer le comportement des particules à des vitesses proches de celle de la lumière, tandis que la mécanique quantique a affiné l'électrodynamique en introduisant le concept de spin et en expliquant ainsi l'origine. du magnétisme dans la matière.
L'électrodynamique est basée sur quatre lois, qui sont connues séparément comme: la loi de Coulomb, la loi de Gauss, la loi d'Ampère et la loi de Faraday..
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, leur comportement change et il est nécessaire d'ajouter des corrections relativistes à la théorie classique qui sont dérivées de la théorie de la relativité d'Albert Einstein (électrodynamique relativiste).
Et lorsque l'échelle des phénomènes à étudier est l'échelle atomique ou plus petite, les effets quantiques acquièrent de la pertinence, donnant lieu à la électrodynamique quantique.
Les mathématiques nécessaires à l'étude de l'électrodynamique sont l'algèbre vectorielle et le calcul vectoriel, car les champs électriques et magnétiques sont des entités de nature vectorielle. Les champs scalaires, tels que le potentiel électrique et le flux magnétique, participent également.
Les opérateurs mathématiques pour les dérivées des fonctions vectorielles sont:
Les systèmes de coordonnées sont nécessaires pour résoudre les équations de Maxwell. En plus des coordonnées cartésiennes, l'utilisation de coordonnées cylindriques et de coordonnées sphériques est courante..
En intégration apparaissent les théorèmes de Green, Stokes et le théorème de divergence.
Enfin, il existe une fonction appelée Delta de Dirac, qui est défini par ses propriétés et est très utile pour exprimer des distributions de charge confinées à une certaine dimension, par exemple une distribution linéaire, surfacique, un point ou un plan.
L'origine des ondes électromagnétiques se trouve dans les charges électriques dont le mouvement est accéléré. Un courant électrique variant 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 se combinent pour former le champ électromagnétique, dans lequel le champ électrique est à l'origine du champ magnétique et vice versa..
Lorsque les charges électriques sont statiques, il y a attraction ou répulsion électrostatique entre elles, tandis que l'interaction magnétique résulte du mouvement des charges..
Les quatre équations de Maxwell relient chacun des champs à sa source et, avec la force de Lorentz, elles forment la base théorique de l'électrodynamique..
Le flux de champ électrique qui laisse un volume entouré par la surface fermée S, est proportionnel à la charge nette qui y est enfermée:
Où réÀ est un différentiel de surface et k est la constante électrostatique. Cette loi est une conséquence de la loi de Coulomb pour la force entre charges électriques.
Le flux de champ magnétique à travers un volume délimité par une surface fermée S est nul, car les monopôles magnétiques n'existent pas.
Par conséquent, chaque fois qu'un aimant est enfermé dans un volume délimité par S, le nombre de lignes de champ entrant dans S est égal au nombre de lignes sortant:
Michael Faraday a découvert que le mouvement relatif entre une boucle métallique fermée C et un aimant génère un courant induit. La tension induite (force électromotrice) εIndiana, associé à ce courant, est proportionnel à la dérivée temporelle du flux magnétique ΦB qui traverse la zone délimitée par la boucle:
Le signe moins est la loi de Lenz, qui stipule que la tension induite s'oppose au changement de flux qui la produit. Mais la force électromotrice induite est l'intégrale de ligne du champ électrique le long du chemin fermé C, donc:
La circulation du champ magnétique sur une courbe C est proportionnelle au courant total que renferme la courbe. Il y a deux contributions à cela: le courant de conduction I et le courant de déplacement provoqué par la variation dans le temps du flux électrique ΦET:
Où μou alors et εou alors sont constants, le premier est le perméabilité au vide et le second le permittivité électrique du vide.
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 force de Lorentz.
Elle souligne que la force totale agissant sur une charge quelle qui bouge avec vitesse v au milieu d'un champ électrique ET et un champ magnétique B (non produit par quelle) est donné par:
F = qET + quellev X B
Les charges en mouvement ordonné constituent un courant électrique, qui est capable de générer de l'énergie pour faire un travail utile: allumer des ampoules, des moteurs en mouvement, bref, démarrer de nombreux appareils..
L'électrodynamique rend possible la transmission de l'énergie électrique, par courant alternatif, depuis des endroits éloignés où l'énergie est transformée et produite, vers les villes, les industries et les maisons.
En visant l'étude des charges en mouvement, l'électrodynamique est le fondement physique de l'électronique, qui traite de la conception de dispositifs qui, à travers des circuits électroniques, utilisent le flux de charges électriques pour générer, transmettre, recevoir et stocker des signaux électromagnétiques contenant des informations..
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