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lei da eletrodinâmica e lei da relatividade

O princípio da relatividade emeletrodinâmica

Depois que Maxwell formulou as leis básicas da eletrodinâmica na segunda metade do século XIX, surgiu a questão de saber se o princípio da relatividade, que é válido para fenômenos mecânicos, também se aplica a fenômenos eletromagnéticos. Em outras palavras, os processos eletromagnéticos (interação de cargas e correntes, propagação de ondas eletromagnéticas etc.) procedem da mesma forma em todos os referenciais inerciais? Ou, talvez, o movimento retilíneo uniforme, sem afetar os fenômenos mecânicos, tenha algum efeito sobre os processos eletromagnéticos?

Para responder a essa pergunta, era necessário descobrir se as leis básicas da eletrodinâmica mudam ao passar de um referencial inercial para outro, ou se, como as leis de Newton, permanecem inalteradas. Somente neste último caso se pode deixar de lado as dúvidas sobre a validade do princípio da relatividade aplicado aos processos eletromagnéticos e considerar esse princípio como uma lei geral da natureza.

As leis da eletrodinâmica são complexas e uma solução rigorosa para este problema não é uma tarefa fácil. No entanto, considerações já simples, ao que parece, tornam possível encontrar a resposta correta. De acordo com as leis da eletrodinâmica, a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é a mesma em todas as direções e é igual a c = 3 ? 10 8 EM. Mas, por outro lado, de acordo com a lei de adição de velocidades da mecânica newtoniana, a velocidade pode ser igual a com apenas em um quadro de referência escolhido. Em qualquer outro referencial movendo-se em relação a este referencial escolhido com velocidade, a velocidade da luz já deveria ser igual. Isso significa que se a lei usual de adição de velocidades é válida, então ao passar de um referencial inercial para outro, as leis da eletrodinâmica devem mudar para que neste novo referencial a velocidade da luz já seja igual a não, mas.

Assim, certas contradições foram reveladas entre a eletrodinâmica e a mecânica newtoniana, cujas leis são consistentes com o princípio da relatividade. As dificuldades encontradas foram superadas de três maneiras diferentes.

Primeira oportunidade foi declarar insustentável o princípio da relatividade aplicado aos fenômenos eletromagnéticos. Este ponto de vista foi assumido pelo grande físico holandês, o fundador da teoria do elétron X. Lorentz. Desde a época de Faraday, os fenômenos eletromagnéticos têm sido considerados como processos em um meio especial e penetrante que preenche todo o espaço, o “éter do mundo”. O referencial inercial, que está em repouso em relação ao éter, é, segundo Lorentz, um referencial especial especial. Nele, as leis da eletrodinâmica de Maxwell são válidas e têm a forma mais simples. Somente neste referencial a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todas as direções.

Segunda possibilidade consiste em considerar as equações de Maxwell incorretas e tentar modificá-las de tal forma que não mudem durante a transição de um referencial inercial para outro (de acordo com as ideias clássicas usuais sobre espaço e tempo). Tal tentativa, em particular, foi feita por G. Hertz. Segundo Hertz, o éter é completamente levado pelos corpos em movimento e, portanto, os fenômenos eletromagnéticos procedem da mesma maneira, independentemente de o corpo estar em repouso ou em movimento. O princípio da relatividade está correto.

Finalmente, terceira possibilidade A solução para essas dificuldades está na rejeição dos conceitos clássicos de espaço e tempo para preservar tanto o princípio da relatividade quanto as leis de Maxwell. Esta é a maneira mais revolucionária, porque significa uma revisão na física das ideias mais profundas e básicas. Deste ponto de vista, não são as equações do campo eletromagnético que se revelam imprecisas, mas as leis da mecânica newtoniana, que são consistentes com as velhas ideias sobre espaço e tempo. É necessário mudar as leis da mecânica, e não as leis da eletrodinâmica de Maxwell.

A terceira possibilidade acabou sendo a única correta. Desenvolvendo-o consistentemente. R. Einstein chegou a novas ideias sobre espaço e tempo. As duas primeiras maneiras, como se viu, são refutadas pela experiência.

Quando Hertz tentou mudar as leis da eletrodinâmica de Maxwell, descobriu-se que as novas equações não eram capazes de explicar uma série de fatos observados. Assim, de acordo com a teoria de Hertz, a água em movimento deve arrastar completamente a luz que se propaga nela, pois arrasta o éter, no qual a luz se propaga. A experiência mostrou que não é bem assim.

O ponto de vista de Lorentz, segundo o qual deve haver um referencial escolhido associado ao éter do mundo, que está em repouso absoluto, também foi refutado por experimentos diretos.

Se a velocidade da luz fosse igual a 300.000 km/s apenas no referencial associado ao éter, então medindo a velocidade da luz em um referencial inercial arbitrário, seria possível detectar o movimento desse referencial em relação a o éter e determinar a velocidade desse movimento. Assim como no referencial em movimento em relação ao ar, surge um vento, ao se mover em relação ao éter (se, é claro, o éter existir), o “vento etéreo” deve ser detectado. Um experimento para detectar o "vento etéreo" foi encenado em 1881 pelos cientistas americanos A. Michelson e E. Morley com base em uma ideia expressa 12 anos antes por Maxwell.

Neste experimento, a velocidade da luz foi comparada na direção do movimento da Terra e na direção perpendicular. As medições foram realizadas com muita precisão com a ajuda de um dispositivo especial - o interferômetro de Michelson. Os experimentos foram realizados em diferentes horários do dia e em diferentes épocas do ano. Mas sempre se obtinha um resultado negativo: o movimento da Terra em relação ao éter não podia ser detectado.

Era como se você colocasse a cabeça para fora da janela do carro a uma velocidade de 100 km/h e não percebesse o vento contrário.

Assim, a ideia da existência de um quadro de referência predominante não resistiu à verificação experimental. Por sua vez, isso significava que não há meio especial - "éter luminífero" - ao qual um quadro de referência tão predominante pudesse ser associado.

Eletrodinâmica

A eletrodinâmica é o principal ramo da física. Ele lida com o uso de eletricidade e magnetismo. A eletricidade e o magnetismo são basicamente baseados em leis que foram descobertas por diferentes cientistas em diferentes épocas. Em nosso tempo, as leis da eletrodinâmica são aplicadas em quase todos os lugares. Todos os dias nos deparamos com a aplicação de muitas seções de eletrodinâmica. Por exemplo: luz elétrica, transporte, eletricidade em si e muito mais. Muitas pessoas nem percebem o quanto essas descobertas são importantes para elas. Assim como a eletricidade, o magnetismo é uma ocorrência diária em nossas vidas. Na maioria das vezes, do magnetismo, encontramos um campo magnético que nos cerca em todos os lugares. Os ímãs são usados ​​em vários aparelhos elétricos de rádio. O objetivo deste trabalho do curso é considerar uma das principais seções da física - a eletrodinâmica.

História da eletrodinâmica. A eletrodinâmica é a ciência das propriedades e padrões de comportamento de um tipo especial de matéria - um campo eletromagnético que interage entre corpos e partículas eletricamente carregados. Existem quatro tipos de interação em eletrodinâmica:

gravitacional

eletromagnético

Nuclear

Fraco (interação entre partículas elementares)

A interação eletromagnética é a coisa mais importante na Terra. A eletrodinâmica tem suas origens na Grécia antiga. Na tradução, a palavra elétron é âmbar. Além do âmbar, muitos outros corpos também são atraídos. Objetos leves e pesados ​​são atraídos por corpos eletrificados. Em 1729, Gray descobriu a transferência de cargas à distância. Charles Dufray descobre dois tipos de cargas: vidro e resina. O vidro é representado como uma carga positiva e a resina - como uma carga negativa. No futuro, James Clerk Maxwell completa a criação da teoria da eletrodinâmica, mas o uso da eletrodinâmica começa apenas na segunda metade do século XIX. Maxwell chamou a atenção para as deficiências da eletrodinâmica clássica. A inconsistência com a lei de conservação de carga foi argumento suficiente para duvidar de sua veracidade, pois as leis de conservação são de natureza muito geral.

As consequências matemáticas do sistema modificado de equações de Maxwell foram a afirmação sobre a conservação da energia em processos eletromagnéticos e a conclusão teórica sobre a possibilidade da existência de um campo independente de cargas e correntes na forma de ondas eletromagnéticas no espaço vazio. Esta última previsão encontrou confirmação experimental brilhante nos famosos experimentos de Hertz e Popov, que lançaram as bases para as modernas comunicações de rádio. A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas calculada a partir do sistema acabou sendo igual à velocidade de propagação da luz no vácuo medida experimentalmente, o que significou a unificação das seções praticamente independentes da física do eletromagnetismo e da ótica em uma teoria completa.

O passo mais importante no desenvolvimento da teoria dos fenômenos elétricos e magnéticos foi a invenção da primeira fonte de corrente contínua - uma célula galvânica. A história desta invenção começa com o trabalho do médico italiano Luigi Galvani, que remonta ao final do século XVIII. Galvani estava interessado na ação fisiológica de uma descarga elétrica. Desde os anos 80. No século 18, ele realizou uma série de experimentos para determinar o efeito de uma descarga elétrica nos músculos de um sapo dissecado. Um dia ele descobriu que quando uma faísca saltava em uma máquina elétrica ou quando uma garrafa de Leyden era descarregada? os músculos do sapo se contraíam se fossem tocados com um bisturi de metal naquele momento. Intrigado com o efeito observado, Galvani decidiu verificar se a eletricidade atmosférica não teria o mesmo efeito nas pernas de um sapo. De fato, conectando uma extremidade do nervo da perna da rã com um condutor a um poste isolado exposto no telhado, e a outra extremidade do nervo ao solo, ele notou que durante uma tempestade, os músculos da rã se contraíam de tempos em tempos. .

Galvani então pendurou os sapos dissecados por ganchos de cobre presos à medula espinhal perto das grades de ferro do jardim. Ele descobriu que, às vezes, quando os músculos do sapo tocavam a cerca de ferro, os músculos se contraíam. Além disso, esses fenômenos foram observados em tempo claro. Consequentemente, Galvani decidiu, neste caso não é mais uma tempestade que é a causa do fenômeno observado. Para confirmar essa conclusão, Galvani fez um experimento semelhante em uma sala. Ele pegou um sapo, cujo nervo espinhal estava conectado a um gancho de cobre, e o colocou em uma placa de ferro. Acontece que quando o gancho de cobre tocou o ferro, os músculos do sapo se contraíram. Galvani decidiu que havia descoberto a "eletricidade animal", isto é, a eletricidade que é produzida no corpo de um sapo. Quando o nervo da rã é fechado com um gancho de cobre e uma placa de ferro, forma-se um circuito fechado, ao longo do qual corre uma carga elétrica (fluido elétrico ou matéria), que causa a contração muscular.

Tanto físicos quanto médicos se interessaram pela descoberta de Galvani. Entre os físicos estava o compatriota de Galvani, Alessandro Volta. Volta repetiu os experimentos de Galvani, e então decidiu verificar como os músculos do sapo se comportariam se não passasse ("eletricidade animal") por eles, mas eletricidade obtida por qualquer um dos métodos conhecidos. Ao mesmo tempo, ele descobriu que os músculos do sapo se contraíam da mesma forma que no experimento de Galvani. Tendo feito esse tipo de pesquisa, Volta chegou à conclusão de que o sapo é apenas um "dispositivo" que registra o fluxo de eletricidade, que não existe nenhuma "eletricidade animal" especial. Volta sugeriu que a causa da eletricidade é o contato de dois metais diferentes. Deve-se notar que Galvani já havia notado a dependência da força da contração convulsiva dos músculos da rã do tipo de metais que formam o circuito pelo qual flui a eletricidade.

No entanto, Galvani não deu muita atenção a isso. Volta, ao contrário, viu nela a possibilidade de construir uma nova teoria. Discordando da teoria da "eletricidade animal", Volta apresentou a teoria da "eletricidade metálica". De acordo com essa teoria, a causa da eletricidade galvânica é o contato de vários metais. Cada metal, acreditava Volta, contém um fluido elétrico - um fluido que, quando o metal não está carregado, fica em repouso e não se manifesta. Mas se você combinar dois metais diferentes, o equilíbrio da eletricidade dentro deles será perturbado, o fluido elétrico começará a se mover. Nesse caso, o fluido elétrico em certa quantidade passará de um metal para outro, após o que o equilíbrio será restaurado novamente. Mas como resultado disso, os metais são eletrificados: um é positivo, o outro é negativo. Volta confirmou essas considerações experimentalmente. Ele foi capaz de mostrar que, de fato, com um simples contato de dois metais, um deles adquire uma carga positiva e o outro negativa.

Assim, Volt descobriu a chamada diferença de potencial de contato. Volta fez o seguinte experimento. Em um disco de cobre ligado a um eletroscópio comum em vez de uma bola, ele colocou o mesmo disco, feito de outro metal e com uma alça. Quando aplicados, os discos entraram em contato em vários lugares. Como resultado, uma diferença de potencial de contato apareceu entre os discos (de acordo com a terminologia de Volta, uma "diferença de tensão" apareceu entre os discos).

Para detectar a "diferença de tensão" que aparece quando diferentes metais entram em contato, que, em geral, é pequena, Volta levantou o disco superior e, em seguida, as folhas do eletroscópio divergiram visivelmente. Isso se deve ao fato de que a capacitância do capacitor formado pelos discos diminuiu e a diferença de potencial entre eles aumentou na mesma quantidade. Mas a descoberta de uma diferença de potencial de contato entre diferentes metais ainda não poderia explicar os experimentos de Galvani com sapos. Suposições adicionais eram necessárias. Mas na experiência de Galvani, não só os metais foram combinados. Os músculos do sapo, que também contêm líquido, também foram incluídos na cadeia. Ele sugeriu que todos os condutores deveriam ser divididos em duas classes: condutores do primeiro tipo - metais e alguns outros sólidos, e condutores do segundo tipo - líquidos. Ao mesmo tempo, Volta decidiu que a diferença de potencial surge apenas quando os condutores do primeiro tipo entram em contato. Essa suposição explicava o experimento de Galvani. Como resultado do contato de dois metais diferentes, o equilíbrio da eletricidade neles é perturbado. Este equilíbrio é restaurado como resultado do fato de os metais estarem conectados através do corpo do sapo.

Assim, o equilíbrio elétrico é constantemente perturbado e restaurado o tempo todo, o que significa que a eletricidade está em constante movimento. Esta explicação da experiência de Galvani está incorreta, mas levou Volt a pensar em criar uma fonte de corrente contínua - uma bateria galvânica. E em 1800, Volta construiu a primeira bateria galvânica - a coluna Volt. A coluna voltaica consistia em várias dúzias de placas redondas de prata e zinco, colocadas umas sobre as outras. Entre pares de pratos foram colocadas canecas de papelão embebidas em água salgada. Tal dispositivo serviu como uma fonte de corrente elétrica contínua. Curiosamente, como argumento para a existência de uma corrente elétrica contínua, Volta atraiu as sensações diretas de uma pessoa. Ele escreveu que, se as placas extremas são fechadas através do corpo humano, a princípio, como no caso do frasco de Leyden, a pessoa experimenta um choque e formigamento. Em seguida, há uma sensação de queimação contínua, "que não apenas não diminui, mas se torna cada vez mais forte, tornando-se logo insuportável, até que a corrente se abra".

A invenção da coluna voltaica, a primeira fonte de corrente contínua, foi de grande importância para o desenvolvimento da teoria da eletricidade e do magnetismo. Quanto à explicação do funcionamento deste dispositivo Volta, estava errônea. Isso foi logo notado por alguns cientistas. De fato, de acordo com a teoria de Volta, descobriu-se que nenhuma mudança ocorre com a célula galvânica durante sua operação.

Uma corrente elétrica flui através do fio, aquece-o, pode carregar uma garrafa de Leyden, etc., mas a própria célula galvânica permanece inalterada. Tal dispositivo nada mais é do que uma máquina de movimento perpétuo, que, sem mudar, produz uma mudança nos corpos circundantes, incluindo o trabalho mecânico.

No final do século XVIII. Entre os cientistas, a opinião sobre a impossibilidade da existência de uma máquina de movimento perpétuo já se espalhou. Portanto, muitos deles rejeitaram a teoria da ação de uma célula galvânica, inventada por Volta. Em contraste com a teoria de Volta, foi proposta uma teoria química de uma célula galvânica. Pouco depois de sua invenção, percebeu-se que as reações químicas ocorrem em uma célula galvânica, na qual entram metais e líquidos.

A teoria química correta da ação de uma célula galvânica suplantou a teoria de Volta. Após a descoberta do pilar voltaico, cientistas de diferentes países começaram a investigar os efeitos da corrente elétrica. Ao mesmo tempo, a própria célula galvânica também foi aprimorada. Já Volta, junto com a "coluna", passou a utilizar uma bateria de copos de células galvânicas mais conveniente. Para estudar os efeitos da corrente elétrica começaram a construir baterias com mais e mais elementos. A maior bateria no início do século XIX. construído pelo físico russo Vasily Vladimirovich Petrov em São Petersburgo. Sua bateria consistia em 4.200 canecas de zinco e cobre. As canecas foram empilhadas horizontalmente em uma caixa e separadas por espaçadores de papel embebido em amônia.

Os primeiros passos no estudo da corrente elétrica foram relacionados às suas ações químicas. Já no mesmo ano em que Volta inventou a bateria galvânica, foi descoberta a propriedade da corrente elétrica para decompor a água. Em seguida, soluções de alguns sais foram decompostas por corrente elétrica. Em 1807, o químico inglês Davy descobriu novos elementos por eletrólise de derretimentos de álcalis cáusticos: potássio e sódio. O estudo da ação química da corrente e a elucidação dos processos químicos que ocorrem nas células galvânicas levaram os cientistas a desenvolver uma teoria da passagem da corrente elétrica pelos eletrólitos. Após o estudo da ação química da corrente, os cientistas se voltaram para seus efeitos térmicos e ópticos.

O resultado mais interessante desses estudos no início do século XIX. foi a descoberta do arco elétrico por Petrov. A descoberta feita por Petrov foi esquecida. Muitos cientistas, especialmente estrangeiros, não o conheciam, já que o livro de Petrov foi escrito em russo. Portanto, quando Davy descobriu novamente o arco elétrico em 1812, ele foi considerado o autor dessa descoberta.

Tendo considerado todos os itens acima, vemos que as leis da eletrodinâmica dependem basicamente umas das outras e, para descobrir uma nova lei, é preciso considerar e verificar todas as leis quase desde o início. Também entendemos que sem todas essas leis em nosso tempo, por assim dizer, não podemos viver. Eles se aplicam em todos os lugares. Cada pessoa tem seu próprio campo magnético. Mas, além dos cientistas, ninguém pensa no fato de que, se não fosse por tudo isso, as pessoas teriam parado nos primeiros estágios de desenvolvimento.

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O objetivo da lição: formar a compreensão dos alunos de como os conceitos de espaço e tempo mudaram sob a influência das provisões da teoria da relatividade especial de Einstein.

Durante as aulas

1. Análise do trabalho de controle.

2. Aprendendo novos materiais.

No final do século 19, as principais disposições da eletrodinâmica foram formuladas. Surgiu uma questão sobre a validade do princípio da relatividade de Galileu aplicado aos fenômenos eletromagnéticos. Os fenômenos eletromagnéticos procedem da mesma maneira em diferentes referenciais inerciais: como as ondas eletromagnéticas se propagam, como as cargas e as correntes interagem durante a transição de um referencial inercial para outro?

Inercial é um tal referencial, em relação ao qual os corpos livres se movem a uma velocidade constante. O movimento retilíneo uniforme afeta os processos eletromagnéticos (não afeta os fenômenos mecânicos)?

Ao passar de um referencial inercial para outro, as leis da eletrodinâmica mudam ou como as leis de Newton permanecem constantes?

Por exemplo, de acordo com as leis de adição de velocidade em mecânica, a velocidade pode ser igual a c=3·108m/s apenas em um referencial. Em outro referencial, que está se movendo a uma velocidade de V, a velocidade da luz deve ser igual a c̄-V̄. Mas de acordo com as leis da eletrodinâmica, a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo em diferentes direções é c=3 108m/s

Surgiram contradições entre a eletrodinâmica e a mecânica newtoniana.

Para resolver as contradições que surgiram, três métodos diferentes foram propostos.

Primeira maneira Consistia em abandonar o princípio da relatividade aplicado aos fenômenos eletromagnéticos. Essa possibilidade foi apoiada pelo fundador da teoria eletrônica, H. Lorentz (holandês). Então, acreditava-se que os fenômenos eletromagnéticos ocorrem no "éter do mundo" - este é um meio penetrante que preenche todo o espaço do mundo. O referencial inercial foi considerado por Lorentz como um referencial em repouso em relação ao éter. Nesse sistema, as leis da eletrodinâmica são rigorosamente observadas e, nesse referencial, a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todas as direções.

Segunda via era declarar as equações de Maxwell erradas.

G. Hertz tentou reescrevê-las de tal forma que não mudassem durante a transição de um referencial inercial para outro, ou seja, como as leis da mecânica. Hertz acreditava que o éter se move junto com os corpos em movimento e, portanto, os processos eletromagnéticos ocorrem da mesma maneira, independentemente do movimento ou do repouso dos corpos. Ou seja, G. Hertz manteve o princípio da relatividade.

A terceira maneira foi abandonar as ideias tradicionais sobre espaço e tempo. As equações de Maxwell e o princípio da relatividade foram preservados, mas as ideias mais óbvias e básicas da mecânica clássica tiveram que ser abandonadas.

Esse método de resolver contradições acabou sendo correto no final.

O experimento refutou tanto a primeira quanto a segunda tentativa de corrigir as contradições que surgiram entre a eletrodinâmica e a mecânica, deixando o princípio da relatividade inalterado.

Desenvolvendo o terceiro método de solução do problema, A. Einstein provou que os conceitos de espaço e tempo estavam ultrapassados ​​e os substituiu por novos.

As equações de Maxwell, corrigidas por Hertz, não puderam explicar os fenômenos observados. A experiência mostrou que o meio não pode arrastar a luz consigo, pois arrastará o éter no qual a luz se propaga.

As experiências dos cientistas americanos A. Michelson e E. Morley provaram que não existe meio como o "éter portador de luz"

Acabou sendo possível combinar a eletrodinâmica de Maxwell e o princípio da relatividade com a rejeição das ideias tradicionais sobre espaço e tempo, ou seja, nem a distância nem a passagem do tempo dependem do quadro de referência.

No final do século XIX, foram obtidos dados experimentais que não podiam ser explicados do ponto de vista da física newtoniana. Em particular, se a fonte de luz e o receptor se movem em direção um ao outro de maneira uniforme e retilínea, suas velocidades newtonianas devem se somar. No entanto, o físico americano Michelson e outros, realizando experimentos usando um interferômetro sensível, mostraram que as velocidades da luz no vácuo não dependem da velocidade da fonte e do receptor e são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Einstein chegou à conclusão de que constância da velocidade da luzé uma lei fundamental da natureza. Essa conclusão foi colocada por Einstein na base de sua teoria da relatividade especial (ver Seção 2.5). A invariância das equações de Maxwell (ver seção 3.5) sob as transformações de Lorentz também foi provada, enquanto elas não são invariantes sob as transformações de Galileu (ver 2.4). Decorreu da teoria de Einstein que as interações eletromagnéticas (por exemplo, cargas) são transmitidas no vácuo a uma velocidade limitada pela velocidade da luz, através de um campo (o conceito de ação de curto alcance) em todos os referenciais.

A divisão do campo eletromagnético em campos elétricos e magnéticos é relativa - na natureza existe um único campo eletromagnético. A luz também tem natureza eletromagnética (Fig. 3.27).

As regularidades foram explicadas com base na teoria da relatividade especial efeito Doppler para ondas eletromagnéticas. Quando a fonte de luz se afasta do observador a uma velocidade V, há uma mudança na frequência (ou comprimento de onda por Δλ) no espectro de radiação da fonte com um comprimento de onda de radiação λ ( redshift):

O efeito Doppler encontrou aplicação no radar para medir a velocidade V e a distância de um objeto em movimento, na astrofísica - para medir as velocidades de retrocesso de galáxias, etc.

A mudança na posição aparente das estrelas na esfera celeste devido à finitude da velocidade da luz é chamada de aberrações de luz.

3.7. Campo magnético quase estacionário

A corrente de deslocamento é fundamentalmente diferente da corrente de condução - não está relacionada ao movimento de cargas. É causado apenas pela mudança no tempo do campo elétrico (ver 3.5). Mesmo no vácuo, uma mudança no campo elétrico leva a a ocorrência de um campo magnético no espaço circundante. É com base nisso que a corrente de deslocamento é idêntica à corrente de condução, e isso permite chamá-la convencionalmente de "corrente".

A corrente de deslocamento j cm ocorre não apenas no vácuo ou nos dielétricos, mas também nos condutores quando passa por eles uma corrente alternada de condução j pr, porém é pequena em relação a j pr (em vista disso, são desprezadas).

Em condutores maciços colocados em um campo magnético alternado, as correntes induzidas podem ser induzidas de acordo com a lei (3.70). Essas correntes são correntes parasitas no volume dos condutores e são conhecidas como correntes de Foucault.

As correntes de Foucault criam seu próprio campo magnético, que, de acordo com a regra de Lenz (ver 3.73), impede uma mudança no fluxo magnético que as causou. As correntes de Foucault de alta frequência levam ao aquecimento dos condutores, o que permite que sejam usadas para fundir metais em fornos de indução, em fornos de micro-ondas para aquecimento de produtos condutores, em fisioterapia (o corpo humano é um condutor), etc. Em outros casos, para reduzir as perdas de calor em máquinas elétricas e transformadores, a resistência às correntes de Foucault é aumentada, fazendo com que seus núcleos não sejam sólidos, mas de placas finas isoladas umas das outras.

Em circuitos com corrente elétrica alternada, a resistência elétrica dos condutores aumenta com o aumento da frequência da corrente. Isso se explica pelo fato de que a distribuição da densidade de corrente na seção transversal do condutor torna-se não uniforme, levando em conta as correntes de Foucault: a densidade de corrente aumenta próximo à superfície (o chamado efeito de pele). Isso também permite que você faça condutores ocos (tubulares). O efeito de pele é a base para os métodos de endurecimento de alta frequência da superfície das peças.

A força da corrente alternada é ao mesmo tempo desigual em diferentes partes do condutor. Isso se deve à velocidade finita de propagação ao longo do condutor de um campo eletromagnético variável. No entanto, se levarmos em conta a baixa velocidade dos portadores de carga em comparação com a velocidade de propagação do campo, as correntes podem ser consideradas quase estacionário bem como os campos magnéticos que excitam.

As correntes alternadas são obtidas usando geradores. Quando o circuito gira em um campo magnético uniforme com uma velocidade angular através da área limitada pelo circuito, o fluxo magnético muda periodicamente (veja 3.67).

onde Ф 0 é o valor máximo do escoamento através da área S do contorno.

A força eletromotriz resultante disso (ver 3.70) será
mudar senoidalmente. ε 0 \u003d ωF 0 é a amplitude do EMF. Se o circuito estiver fechado, a corrente alternada fluirá nele:

.

Em geral, qualquer condutor, além da resistência ôhmica R, possui indutância L e capacitância C. Eles fornecem resistência adicional à corrente devido ao aparecimento de EMF de autoindução (ver 3.73) e à inércia de recarga da capacitância. Então o valor da amplitude da corrente alternada:

(3.90)

Valor
tem o caráter de impedância ( impedância). Depende dos valores de R, L, C e frequência . Quando  satisfaz a condição:

,

a impedância tem um valor mínimo igual a R, e a amplitude da corrente alternada atinge seu valor máximo:

Frequência
- é chamado de ressonante. R L \u003d L e
- chamadas resistências indutivas e capacitivas em um circuito de corrente alternada.

Corrente elétrica alternada tem grande aplicação prática. Ele pode ser transmitido com baixas perdas em longas distâncias e, com a ajuda de transformadores, sua força e tensão podem variar em uma ampla faixa.

Para caracterizar açao corrente alternada em comparação com a corrente contínua, o conceito é introduzido valores efetivos de corrente e tensão. O valor efetivo da intensidade da corrente é o valor de I associado à amplitude de I 0 como segue:

da mesma forma a tensão
. Eles determinam a potência da corrente alternada. Você também pode dar outra definição: I D: o valor efetivo da força AC é igual à força DC que libera a mesma quantidade de calor no circuito que a AC.

Definição 1

A eletrodinâmica é um ramo da física que estuda os campos eletromagnéticos e as interações entre eles.

Figura 1. O conceito de eletrodinâmica. Author24 - intercâmbio online de trabalhos de estudantes

A eletrodinâmica clássica descreve de forma abrangente todas as propriedades dos campos elétricos e magnéticos e também considera as leis físicas devido às quais alguns corpos físicos entram em contato com outros que possuem carga elétrica positiva.

Costuma-se chamar um campo eletromagnético de uma forma universal de matéria, que se manifesta como resultado da influência de um elemento carregado sobre outro. Muitas vezes, ao estudar um campo eletromagnético, seus principais componentes são distinguidos: um campo elétrico e um campo magnético.

Definição 2

O potencial eletromagnético é uma quantidade física especial que determina precisamente a distribuição do campo no espaço geral.

A eletrodinâmica pode ser dividida em:

• eletrostática;
• eletrodinâmica de um meio contínuo;
• magnetostáticos;
• eletrodinâmica relativística.

O vetor de Poynting é uma grandeza física, que é o principal vetor da densidade de fluxo de energia de campo em eletrodinâmica. O valor deste vetor é proporcional à energia que pode ser transferida para uma unidade de espaço temporário através de uma unidade de área de superfície, que é diretamente perpendicular à direção de distribuição da indução eletromagnética.

A eletrodinâmica constitui uma boa base para o desenvolvimento da óptica e da física das ondas de rádio. Esses ramos da ciência são considerados os fundamentos da engenharia elétrica e de rádio. A eletrodinâmica clássica usa o conceito das equações de Maxwell para descrever as principais propriedades e princípios da interação de campos eletromagnéticos, complementando-o com equações materiais universais, condições iniciais e de contorno.

O princípio da relatividade em eletrodinâmica

O princípio da relatividade na eletrodinâmica foi formado na segunda metade do século XIX por Maxwell, que apresentou ao público as leis básicas do campo eletromagnético. Como resultado, surgiu uma questão lógica se essa regularidade se estende aos fenômenos da eletrodinâmica. Em outras palavras, é necessário descobrir se os processos eletromagnéticos, interagindo entre cargas e correntes, podem se propagar igualmente em todos os referenciais inerciais, ou se serão uniformemente dispersos em processos mecânicos.

Para dar uma resposta correta e completa a essa pergunta, os físicos decidiram inicialmente determinar se as leis centrais da eletrodinâmica mudam durante a transformação de um sistema para outro ou permanecem inalteradas como as hipóteses de Newton. Somente neste último caso é desejável não duvidar da validade do princípio em estudo com respeito aos métodos do campo eletromagnético, e então considerar este sistema como uma lei geral da natureza.

Observação 1

As leis da eletrodinâmica são bastante multifacetadas e complexas, portanto a solução competente deste problema não é uma tarefa fácil.

No entanto, considerações já bem estabelecidas nos permitem encontrar uma resposta racional. De acordo com os princípios da eletrodinâmica, a velocidade total de propagação das ondas elétricas e magnéticas no vácuo é sempre a mesma. No entanto, por outro lado, este indicador também pode ser equiparado a um sistema de referência escolhido de acordo com a teoria de adição de velocidades da mecânica newtoniana.

Isso significa que se a lei usual da adição de velocidade é justa e válida, então durante a transição subsequente de um conceito inercial para outro, os princípios da eletrodinâmica devem necessariamente mudar para que no novo referencial a velocidade da luz já esteja representada em uma fórmula completamente diferente.

Assim, os físicos descobriram sérias contradições entre a mecânica newtoniana e a eletrodinâmica, cujas leis não são consistentes com o princípio da relatividade.

Eles tentaram superar as dificuldades que surgiram graças aos seguintes métodos:

• declarar o princípio da relatividade inaplicável aos processos eletromagnéticos;
• reconhecendo as equações de Maxwell como incorretas e tentando mudá-las de tal forma que elas não mudem durante a próxima transição de um referencial inercial para outro;
• abandonando as ideias clássicas sobre tempo e espaço para preservar ainda mais o princípio da relatividade e as leis de Maxwell.

Curiosamente, foi a terceira possibilidade que acabou sendo a única verdadeira, porque ao desenvolvê-la consistentemente, A. Einstein foi capaz de apresentar novas ideias sobre espaço e tempo. As duas primeiras maneiras foram eventualmente refutadas no decorrer de numerosos experimentos. Assim, a ideia da existência de um referencial inercial não resistiu à verificação experimental.

Foi possível harmonizar o princípio da relatividade com os métodos da eletrodinâmica somente depois que os cientistas abandonaram as ideias clássicas sobre espaço e tempo, segundo as quais o fluxo de tempo e a distância não dependem do quadro de referência predominante.

Princípio da conservação da carga elétrica

No caso de eletrização instável de corpos físicos, é utilizada a lei de conservação da carga elétrica positiva. Este padrão é bastante válido para um conceito físico fechado. A validade do princípio de conservação de carga em eletrodinâmica desempenha um papel importante na natureza devido ao fato de que apenas partículas eletricamente carregadas estão na composição de todas as substâncias.

A interação de forças eletromagnéticas entre corpos não pode ser detectada, porque qualquer matéria é neutra de uma posição elétrica em seu estado normal. Elementos carregados negativamente e positivamente são conectados diretamente uns aos outros por forças eletrostáticas e formam sistemas neutros.

Uma substância macroscópica será eletricamente carregada se incluir em sua composição um número excessivo de partículas elementares com um certo sinal de carga.

Os cientistas separam parte da carga negativa da positiva para eletrificar o corpo físico. Isso pode ser feito através do atrito, que envolve a observação de um grande número de transformações de partículas elementares.

A existência do processo em estudo, no espaço entre os elementos móveis, pelo qual o tempo finito é dividido, é o principal que distingue a teoria da ação a curto alcance da hipótese da ação à distância. A propriedade chave de um campo elétrico em eletrodinâmica é a influência de suas partículas em outras cargas elétricas.

Observação 2

Um campo eletrostático só pode aparecer pela ação de uma carga elétrica, uma vez que existe no espaço ao redor de cargas interconectadas.

Linhas de indução magnética em eletrodinâmica

Para a direção do vetor principal de indução magnética, os cientistas usam o indicador do pólo sul em relação à agulha magnética norte, que é definida livremente no campo magnético. Essa direção na eletrodinâmica coincide completamente com a direção da energia positiva de um circuito fechado com corrente. A normal positiva se move na direção em que a verruma se transforma se você a girar paralelamente à corrente no loop.

A regra da verruma pode ser formulada da seguinte forma: se a direção do movimento constante da verruma coincidir com a corrente no condutor, a direção de rotação da alça será automaticamente igualada ao vetor de indução magnética. No campo magnético de um condutor retilíneo ativo, a seta é colocada estritamente ao longo do círculo tangente.

Definição 3

As linhas de indução magnética são linhas especiais, cujas tangentes são direcionadas da mesma maneira que o vetor em um ponto específico do campo.

Os parâmetros de um campo uniforme são sempre paralelos, e a principal característica das linhas de indução dos ímãs na eletrodinâmica é chamada de infinito. Campos com linhas de força fechadas formam um campo magnético que não tem fontes.

O princípio da relatividade e as leis de Newton

O princípio da relatividade de Galileu entrou organicamente na mecânica clássica criada por I. Newton. Baseia-se em três "axiomas" - as três famosas leis de Newton. Já o primeiro deles, que diz: "Todo corpo continua a ser mantido em seu estado de repouso ou movimento uniforme e retilíneo, até e na medida em que é forçado pelas forças aplicadas a mudar esse estado", fala da relatividade do movimento e ao mesmo tempo indica a existência de referenciais (chamados inerciais), nos quais corpos que não sofrem influências externas se movem "por inércia", nem acelerando nem desacelerando. São precisamente esses sistemas inerciais que se referem ao formular as outras duas leis de Newton. Durante a transição de um referencial inercial para outro, muitas quantidades que caracterizam o movimento dos corpos mudam, por exemplo, suas velocidades ou a forma da trajetória do movimento, mas as leis do movimento, ou seja, as relações que ligam essas quantidades, permanecem. constante.

Transformações galileanas

Para descrever os movimentos mecânicos, isto é, a mudança na posição dos corpos no espaço, Newton formulou claramente ideias sobre espaço e tempo. O espaço foi concebido como uma espécie de "fundo", sobre o qual se desenrola o movimento dos pontos materiais. Sua posição pode ser determinada, por exemplo, usando as coordenadas cartesianas x, y, z, dependendo do tempo t. Ao passar de um referencial inercial K para outro K ", movendo-se em relação ao primeiro ao longo do eixo x com uma velocidade v, as coordenadas são transformadas: x" \u003d x - vt, y "= y, z" \u003d z, e o tempo permanece inalterado: t" = t. Assim, assume-se que o tempo é absoluto. Essas fórmulas são chamadas de transformações de Galileu.

Segundo Newton, o espaço atua como uma espécie de grade de coordenadas, que não é afetada pela matéria e seu movimento. O tempo em tal imagem "geométrica" ​​do mundo é, por assim dizer, contado por algum relógio absoluto, cujo curso não pode ser acelerado nem desacelerado.

O princípio da relatividade em eletrodinâmica

O princípio da relatividade de Galileu foi atribuído apenas à mecânica por mais de trezentos anos, embora no primeiro quartel do século XIX, principalmente graças aos trabalhos de M. Faraday, surgiu a teoria do campo eletromagnético, que foi posteriormente desenvolvida e formulado matematicamente nas obras de J.K. Maxwell. Mas a transferência do princípio da relatividade para a eletrodinâmica parecia impossível, pois acreditava-se que todo o espaço era preenchido com um meio especial - éter, cuja tensão era interpretada como a força dos campos elétrico e magnético. Ao mesmo tempo, o éter não afetava os movimentos mecânicos dos corpos, de modo que na mecânica ele “não era sentido”, mas o movimento relativo ao éter (“vento etéreo”) deveria ter um efeito nos processos eletromagnéticos. Como resultado, um experimentador em uma cabine fechada poderia, ao observar tais processos, ser capaz de determinar se sua cabine estava em movimento (absoluto!), ou se estava em repouso. Em particular, os cientistas acreditavam que o "vento etéreo" deveria influenciar a propagação da luz. As tentativas de descobrir o "vento de éter", no entanto, não tiveram sucesso, e o conceito de um éter mecânico foi rejeitado, graças ao qual o princípio da relatividade renasceu, por assim dizer, mas já como universal, válido não apenas na mecânica , mas também em eletrodinâmica e outras áreas da física.

Transformações de Lorentz

Assim como as equações de Newton são a formulação matemática das leis da mecânica, as equações de Maxwell são uma representação quantitativa das leis da eletrodinâmica. A forma dessas equações também deve permanecer inalterada durante a transição de um referencial inercial para outro. Para satisfazer esta condição, é necessário substituir as transformações Galileo por outras: x"= g(x-vt); y"= y; z "= z; t" \u003d g (t-vx / c 2), onde g \u003d (1-v 2 / c 2) -1/2 e c é a velocidade da luz no vácuo. As últimas transformações estabelecidas por H. Lorentz em 1895 e que levam seu nome são a base da teoria da relatividade especial (ou particular). Em vc eles se transformam em transformações galileanas, mas se v for próximo de c, então há diferenças significativas em relação à imagem espaço-tempo, que é usualmente chamada de não relativística. Em primeiro lugar, o fracasso das ideias intuitivas usuais sobre o tempo é revelado, acontece que eventos que ocorrem simultaneamente em um quadro de referência deixam de ser simultâneos em outro. A lei da conversão de velocidade também muda.

Transformação de quantidades físicas na teoria relativista

Na teoria relativística, as distâncias espaciais e os intervalos de tempo não permanecem inalterados durante a transição de um referencial para outro, movendo-se em relação ao primeiro com velocidade v. Os comprimentos são reduzidos (na direção do movimento) em 1/g vezes, e os intervalos de tempo são "esticados" pelo mesmo número de vezes. A relatividade da simultaneidade é a principal característica fundamentalmente nova da moderna teoria privada da relatividade.