Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí využívajú vedomostnú základňu pri štúdiu a práci, vám budú veľmi vďační.

zákon elektrodynamiky a zákon relativity

Princíp relativity velektrodynamika

Po tom, čo Maxwell v druhej polovici 19. storočia sformuloval základné zákony elektrodynamiky, vyvstala otázka, či princíp relativity, ktorý platí pre mechanické javy, platí aj pre elektromagnetické javy. Inými slovami, prebiehajú elektromagnetické procesy (interakcia nábojov a prúdov, šírenie elektromagnetických vĺn a pod.) rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách? Alebo možno rovnomerný priamočiary pohyb bez ovplyvnenia mechanických javov má nejaký vplyv na elektromagnetické procesy?

Na zodpovedanie tejto otázky bolo potrebné zistiť, či sa základné zákony elektrodynamiky menia pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej, alebo či podobne ako Newtonove zákony zostávajú nezmenené. Iba v druhom prípade je možné zahodiť pochybnosti o platnosti princípu relativity aplikovaného na elektromagnetické procesy a považovať tento princíp za všeobecný prírodný zákon.

Zákony elektrodynamiky sú zložité a dôsledné riešenie tohto problému nie je ľahká úloha. Zdá sa však, že už jednoduché úvahy umožňujú nájsť správnu odpoveď. Podľa zákonov elektrodynamiky je rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu rovnaká vo všetkých smeroch a rovná sa c = 3 ? 10 8 pani. Ale na druhej strane v súlade so zákonom o sčítaní rýchlostí newtonovskej mechaniky sa rýchlosť môže rovnať s iba v jednom zvolenom referenčnom rámci. V akomkoľvek inom referenčnom rámci, ktorý sa pohybuje vzhľadom na tento zvolený rámec rýchlosťou, by už mala byť rýchlosť svetla rovnaká. To znamená, že ak platí zaužívaný zákon sčítania rýchlostí, tak pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej sa musia zmeniť zákony elektrodynamiky tak, že v tejto novej vzťažnej sústave sa rýchlosť svetla už rovná nie, ale.

Odhalili sa tak určité rozpory medzi elektrodynamikou a newtonovskou mechanikou, ktorých zákony sú v súlade s princípom relativity. Ťažkosti, ktoré sa vyskytli, boli prekonané tromi rôznymi spôsobmi.

Prvá príležitosť bolo vyhlásiť za neudržateľný princíp relativity aplikovaný na elektromagnetické javy. Tento názor zaujal veľký holandský fyzik, zakladateľ elektrónovej teórie X. Lorentz. Od čias Faradaya sa elektromagnetické javy považujú za procesy v špeciálnom, všetko prenikajúcom médiu, ktoré vypĺňa celý priestor, „svetový éter“. Inerciálna vzťažná sústava, ktorá je vo vzťahu k éteru v pokoji, je podľa Lorentza špeciálna preferenčná sústava. V ňom platia Maxwellove zákony elektrodynamiky a majú najjednoduchšiu formu. Len v tejto vzťažnej sústave je rýchlosť svetla vo vákuu vo všetkých smeroch rovnaká.

Druhá možnosť spočíva v tom, že považujeme Maxwellove rovnice za nesprávne a snažíme sa ich zmeniť tak, aby sa nemenili pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej (v súlade so zaužívanými, klasickými predstavami o priestore a čase). O takýto pokus sa pokúsil najmä G. Hertz. Éter podľa Hertza pohybujúce sa telesá úplne unášajú, a preto elektromagnetické javy prebiehajú rovnako, bez ohľadu na to, či je teleso v pokoji alebo v pohybe. Princíp relativity je správny.

nakoniec tretia možnosť Riešenie týchto ťažkostí spočíva v odmietnutí klasických konceptov priestoru a času s cieľom zachovať princíp relativity aj Maxwellove zákony. Toto je najrevolučnejší spôsob, pretože vo fyzike znamená revíziu najhlbších, najzákladnejších myšlienok. Z tohto pohľadu sa nepresné ukážu nie rovnice elektromagnetického poľa, ale zákony newtonovskej mechaniky, ktoré sú v súlade so starými predstavami o priestore a čase. Je potrebné zmeniť zákony mechaniky, a nie zákony Maxwellovej elektrodynamiky.

Tretia možnosť sa ukázala ako jediná správna. Dôsledne ho rozvíjať. A. Einstein prišiel k novým myšlienkam o priestore a čase. Prvé dva spôsoby, ako sa ukázalo, sú vyvrátené experimentom.

Keď sa Hertz pokúsil zmeniť zákony Maxwellovej elektrodynamiky, ukázalo sa, že nové rovnice nie sú schopné vysvetliť množstvo pozorovaných skutočností. Pohybujúca sa voda teda podľa Hertzovej teórie musí úplne strhnúť svetlo, ktoré sa v nej šíri, keďže strháva éter, v ktorom sa svetlo šíri. Prax ukázala, že to tak v skutočnosti nie je.

Priamymi experimentmi bol vyvrátený aj Lorentzov pohľad, podľa ktorého musí existovať zvolený referenčný rámec spojený so svetovým éterom, ktorý je v absolútnom pokoji.

Ak by sa rýchlosť svetla rovnala 300 000 km/s len v referenčnej sústave spojenej s éterom, potom by bolo možné meraním rýchlosti svetla v ľubovoľnej inerciálnej sústave detekovať pohyb tejto sústavy vzhľadom na éteru a určiť rýchlosť tohto pohybu. Rovnako ako v referenčnom rámci pohybujúcom sa voči vzduchu vzniká vietor, pri pohybe voči éteru (ak samozrejme éter existuje), by mal byť detekovaný „éterový vietor“. Experiment na zistenie „éterického vetra“ uskutočnili v roku 1881 americkí vedci A. Michelson a E. Morley na základe myšlienky, ktorú pred 12 rokmi vyslovil Maxwell.

V tomto experimente sa porovnávala rýchlosť svetla v smere pohybu Zeme a v kolmom smere. Merania boli realizované veľmi presne pomocou špeciálneho prístroja - Michelsonovho interferometra. Experimenty sa uskutočňovali v rôznych časoch dňa a v rôznych ročných obdobiach. Vždy sa však získal negatívny výsledok: pohyb Zeme vzhľadom na éter nebolo možné zistiť.

Bolo to všetko ako vystrčiť hlavu z okna auta v rýchlosti 100 km/h a nevšimnúť si protivietor.

Myšlienka existencie prevládajúceho referenčného rámca teda neobstála pri experimentálnom overení. Na druhej strane to znamenalo, že neexistuje žiadne špeciálne médium - "svetelný éter" - s ktorým by sa dala spájať taká prevládajúca referenčná sústava.

Elektrodynamika

Elektrodynamika je hlavným odvetvím fyziky. Zaoberá sa využitím elektriny a magnetizmu. Elektrina a magnetizmus sú v podstate založené na zákonoch, ktoré objavili rôzni vedci v rôznych časoch. V našej dobe sa zákony elektrodynamiky uplatňujú takmer všade. Denne sa stretávame s aplikáciou mnohých sekcií elektrodynamiky. Napríklad: elektrické svetlo, doprava, samotná elektrina a oveľa viac. Mnoho ľudí si ani neuvedomuje, aké dôležité sú pre nich tieto objavy. Rovnako ako elektrina, magnetizmus je každodenným javom v našich životoch. Najčastejšie sa z magnetizmu stretávame s magnetickým poľom, ktoré nás všade obklopuje. Magnety sa používajú v rôznych rádiových elektrických spotrebičoch. Účelom tejto práce je zvážiť jednu z hlavných častí fyziky - elektrodynamiku.

História elektrodynamiky. Elektrodynamika je veda o vlastnostiach a vzorcoch správania špeciálneho druhu hmoty – elektromagnetického poľa, ktoré interaguje medzi elektricky nabitými telesami a časticami. V elektrodynamike existujú štyri typy interakcií:

gravitačné

elektromagnetické

Jadrový

Slabá (interakcia medzi elementárnymi časticami)

Elektromagnetická interakcia je najdôležitejšia vec na Zemi. Elektrodynamika má svoj pôvod v starovekom Grécku. V preklade je slovo elektrón jantárový. Okrem jantáru lákajú aj mnohé iné telá. Ľahké aj ťažké predmety sú priťahované k elektrifikovaným telesám. V roku 1729 Gray objavil prenos nábojov na diaľku. Charles Dufray objavuje dva typy nábojov: sklo a živicu. Sklovitý je reprezentovaný ako kladný náboj a živicový ako záporný náboj. V budúcnosti James Clerk Maxwell dokončuje vytvorenie teórie elektrodynamiky, ale používanie elektrodynamiky začína až v druhej polovici 19. storočia. Maxwell upozornil na nedostatky klasickej elektrodynamiky. Rozpor so zákonom zachovania náboja bol dostatočným argumentom na pochybovanie o jeho pravdivosti, keďže zákony zachovania sú veľmi všeobecného charakteru.

Matematickými dôsledkami modifikovaného systému Maxwellových rovníc bolo konštatovanie o zachovaní energie v elektromagnetických procesoch a teoretický záver o možnosti existencie poľa nezávislého na nábojoch a prúdoch vo forme elektromagnetických vĺn v prázdnom priestore. Táto posledná predpoveď našla skvelé experimentálne potvrdenie v slávnych experimentoch Hertza a Popova, ktoré položili základ modernej rádiovej komunikácie. Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vypočítaná zo systému sa ukázala byť rovná experimentálne nameranej rýchlosti šírenia svetla vo vákuu, čo znamenalo zjednotenie dovtedy samostatných úsekov fyziky elektromagnetizmu a optiky do jednej ucelenej teórie.

Najdôležitejším krokom vpred vo vývoji teórie elektrických a magnetických javov bol vynález prvého zdroja jednosmerného prúdu – galvanického článku. História tohto vynálezu sa začína prácou talianskeho lekára Luigiho Galvaniho, ktorá siaha až do konca 18. storočia. Galvani sa zaujímal o fyziologické pôsobenie elektrického výboja. Od 80. rokov. V 18. storočí podnikol sériu experimentov na určenie účinku elektrického výboja na svaly vypreparovanej žaby. Jedného dňa zistil, že keď preskočí iskra v elektrickom stroji alebo keď sa vybije Leydenská nádoba? svaly žaby sa stiahli, ak sa ich v tom čase dotkli kovovým skalpelom. So záujmom o pozorovaný efekt sa Galvani rozhodol skontrolovať, či atmosférická elektrina nebude mať rovnaký účinok na žabie stehienka. Skutočne, keď spojil jeden koniec nervu žabej nohy s vodičom s izolovaným stĺpom na streche a druhý koniec nervu so zemou, všimol si, že počas búrky sa svaly žaby z času na čas stiahli. .

Galvani potom vypreparované žaby zavesil za medené háky zaháknuté na mieche blízko železného zábradlia záhrady. Zistil, že niekedy, keď sa svaly žaby dotkli železného plota, svaly sa stiahli. Navyše boli tieto javy pozorované za jasného počasia. Následne sa Galvani rozhodol, že v tomto prípade už nejde o búrku, ktorá je príčinou pozorovaného javu. Na potvrdenie tohto záveru urobil Galvani podobný experiment v miestnosti. Vzal žabu, ktorej miechový nerv bol spojený s medeným hákom, a položil ju na železnú platňu. Ukázalo sa, že keď sa medený hák dotkol železa, svaly žaby sa stiahli. Galvani sa rozhodol, že objavil „živočíšnu elektrinu“, teda elektrinu, ktorá sa vyrába v tele žaby. Keď sa nerv žaby uzavrie medeným háčikom a železnou platňou, vytvorí sa uzavretý okruh, ktorým prechádza elektrický náboj (elektrická tekutina alebo hmota), ktorý spôsobuje svalovú kontrakciu.

O Galvaniho objav sa začali zaujímať fyzici aj lekári. Medzi fyzikmi bol aj Galvaniho krajan Alessandro Volta. Volta zopakoval Galvaniho experimenty a potom sa rozhodol skontrolovať, ako by sa svaly žaby správali, keby nimi neprešla („živočíšna elektrina“), ale elektrina získaná niektorou zo známych metód. Zároveň zistil, že svaly žaby sa stiahli rovnako ako pri Galvaniho experimente. Po vykonaní tohto druhu výskumu, Volta dospel k záveru, že žaba je len "zariadenie", ktoré registruje tok elektriny, že žiadna špeciálna "živočíšna elektrina" neexistuje. Volta navrhol, že príčinou elektriny je kontakt dvoch rôznych kovov. Treba poznamenať, že už Galvani si všimol závislosť sily kŕčovej kontrakcie svalov žaby od typu kovov, ktoré tvoria okruh, ktorým prúdi elektrina.

Galvani tomu však nevenoval vážnu pozornosť. Volta v tom naopak videl možnosť skonštruovať novú teóriu. Volta nesúhlasil s teóriou „živočíšnej elektriny“ a predložil teóriu „kovovej elektriny“. Podľa tejto teórie je príčinou galvanickej elektriny kontakt rôznych kovov. Každý kov, veril Volta, obsahuje elektrickú tekutinu - tekutinu, ktorá, keď kov nie je nabitý, je v pokoji a neprejavuje sa. Ale ak skombinujete dva rôzne kovy, potom sa rovnováha elektriny v nich naruší, elektrická tekutina sa začne pohybovať. V tomto prípade elektrická kvapalina v určitom množstve prejde z jedného kovu na druhý, po čom sa opäť obnoví rovnováha. Ale v dôsledku toho sú kovy elektrifikované: jeden je pozitívny, druhý je negatívny. Volta tieto úvahy experimentálne potvrdil. Podarilo sa mu ukázať, že skutočne jednoduchým kontaktom dvoch kovov jeden z nich získa kladný náboj a druhý záporný náboj.

Volt tak objavil takzvaný rozdiel kontaktného potenciálu. Volta urobil nasledujúci experiment. Na medený kotúč pripevnený k obyčajnému elektroskopu namiesto gule umiestnil rovnaký kotúč vyrobený z iného kovu a s rukoväťou. Pri aplikácii sa disky dostali do kontaktu na mnohých miestach. V dôsledku toho sa medzi diskami objavil rozdiel kontaktných potenciálov (podľa Voltovej terminológie sa medzi diskami objavil „rozdiel napätia“).

Aby bolo možné zistiť "rozdiel napätia", ktorý sa objaví pri kontakte rôznych kovov, ktorý je vo všeobecnosti malý, Volta zdvihol horný disk a potom sa listy elektroskopu viditeľne rozišli. Bolo to spôsobené tým, že kapacita kondenzátora tvoreného diskami sa znížila a potenciálny rozdiel medzi nimi sa zvýšil o rovnakú hodnotu. Ale objav rozdielu kontaktného potenciálu medzi rôznymi kovmi ešte nedokázal vysvetliť Galvaniho experimenty so žabami. Boli potrebné ďalšie predpoklady. Ale podľa skúseností Galvaniho sa nespájali len kovy. Do reťaze boli zaradené aj žabie svaly, ktoré obsahujú aj tekutinu. Navrhol, aby boli všetky vodiče rozdelené do dvoch tried: vodiče prvého druhu - kovy a niektoré iné pevné látky a vodiče druhého druhu - kvapaliny. Zároveň sa Volta rozhodol, že potenciálny rozdiel nastáva iba vtedy, keď sa vodiče prvého druhu dostanú do kontaktu. Tento predpoklad vysvetlil Galvaniho experiment. V dôsledku kontaktu dvoch rôznych kovov je v nich narušená rovnováha elektriny. Táto rovnováha je obnovená v dôsledku skutočnosti, že kovy sú spojené cez telo žaby.

Elektrická rovnováha sa teda neustále narúša a obnovuje, čo znamená, že elektrina sa neustále pohybuje. Toto vysvetlenie Galvaniho skúsenosti je nesprávne, no podnietilo Volta k zamysleniu sa nad vytvorením zdroja jednosmerného prúdu – galvanickej batérie. A v roku 1800 Volta postavila prvú galvanickú batériu – Voltov stĺp. Voltaický stĺp pozostával z niekoľkých desiatok okrúhlych strieborných a zinkových platní, umiestnených na sebe. Medzi pármi tanierov boli položené kartónové hrnčeky namočené v slanej vode. Takéto zariadenie slúžilo ako zdroj trvalého elektrického prúdu. Je zaujímavé, že ako argument pre existenciu nepretržitého elektrického prúdu priťahovala Volta priame pocity človeka. Napísal, že ak sú krajné platne uzavreté cez ľudské telo, tak najprv, ako v prípade Leydenskej nádoby, človek zažije šok a brnenie. Potom je tu pocit nepretržitého pálenia, "ktorý nielenže neustupuje, ale stáva sa silnejším a silnejším, čoskoro sa stáva neznesiteľným, až kým sa reťaz neroztvorí."

Vynález voltaického stĺpa, prvého zdroja jednosmerného prúdu, mal veľký význam pre rozvoj teórie elektriny a magnetizmu. Čo sa týka vysvetlenia fungovania tohto zariadenia Volta, bolo chybné. Čoskoro si to všimli niektorí vedci. Podľa Voltovej teórie sa totiž ukázalo, že s galvanickým článkom počas jeho činnosti nenastávajú žiadne zmeny.

Drôtom preteká elektrický prúd, ohrieva ho, môže nabíjať Leydenskú nádobu atď., ale samotný galvanický článok zostáva nezmenený. Takéto zariadenie nie je nič iné ako stroj na večný pohyb, ktorý bez toho, aby sa menil, spôsobuje zmenu okolitých telies, vrátane mechanickej práce.

Do konca XVIII storočia. Medzi vedcami sa už veľmi rozšíril názor o nemožnosti existencie perpetuum mobile. Preto mnohí z nich odmietli teóriu pôsobenia galvanického článku, ktorú vymyslel Volta. Na rozdiel od Voltovej teórie bola navrhnutá chemická teória galvanického článku. Krátko po jeho vynáleze sa zistilo, že chemické reakcie prebiehajú v galvanickom článku, do ktorého vstupujú kovy a kvapaliny.

Správna chemická teória pôsobenia galvanického článku nahradila Voltovu teóriu. Po objavení voltaického stĺpa začali vedci z rôznych krajín skúmať účinky elektrického prúdu. Zároveň bol vylepšený aj samotný galvanický článok. Už Volta spolu s „kolónom“ začala používať pohodlnejšiu pohárovú batériu galvanických článkov. Na štúdium účinkov elektrického prúdu sa začali stavať batérie s ďalšími a ďalšími prvkami. Najväčšia batéria na samom začiatku XIX storočia. postavil ruský fyzik Vasilij Vladimirovič Petrov v Petrohrade. Jeho batéria pozostávala zo 4200 zinkových a medených hrnčekov. Hrnčeky boli naskladané vodorovne do škatule a oddelené papierovými rozperami namočenými v čpavku.

Prvé kroky v štúdiu elektrického prúdu súviseli s jeho chemickými účinkami. Už v tom istom roku, v ktorom Volta vynašiel galvanickú batériu, bola objavená vlastnosť elektrického prúdu rozkladať vodu. Následne boli roztoky niektorých solí rozložené elektrickým prúdom. V roku 1807 anglický chemik Davy elektrolýzou tavenín žieravých zásad objavil nové prvky: draslík a sodík. Štúdium chemického pôsobenia prúdu a objasnenie chemických procesov vyskytujúcich sa v galvanických článkoch viedlo vedcov k vypracovaniu teórie prechodu elektrického prúdu cez elektrolyty. Po štúdiu chemického pôsobenia prúdu sa vedci obrátili na jeho tepelné a optické účinky.

Najzaujímavejší výsledok týchto štúdií na samom začiatku XIX storočia. bol objav elektrického oblúka Petrovom. Na objav, ktorý urobil Petrov, sa zabudlo. Mnohí, najmä zahraniční vedci o ňom nevedeli, keďže Petrovova kniha bola napísaná v ruštine. Preto, keď Davy v roku 1812 opäť objavil elektrický oblúk, bol považovaný za autora tohto objavu.

Po zvážení všetkých vyššie uvedených skutočností vidíme, že zákony elektrodynamiky v podstate závisia na sebe a na objavenie nového zákona je potrebné zvážiť a skontrolovať všetky zákony takmer od samého začiatku. Chápeme tiež, že bez všetkých týchto zákonov v našej dobe takpovediac nemôžeme žiť. Uplatňujú sa všade. Každý človek má svoje vlastné magnetické pole. Okrem vedcov sa však nikto nezamýšľa nad tým, že keby nebolo tohto všetkého, ľudia by sa zastavili v prvých fázach vývoja.

Podobné dokumenty

Predpoklady pre vytvorenie teórie relativity A. Einsteina. Relativita pohybu podľa Galilea. Princíp relativity a Newtonove zákony. Galileovské premeny. Princíp relativity v elektrodynamike. A. Einsteinova teória relativity.

abstrakt, pridaný 29.03.2003


Inerciálne referenčné systémy. Klasický princíp relativity a transformácie Galilea. Einsteinove postuláty špeciálnej teórie relativity. Relativistický zákon zmeny dĺžok časových intervalov. Základný zákon relativistickej dynamiky.

abstrakt, pridaný 27.03.2012


Vznik teórie relativity. Klasická, relativistická, kvantová mechanika. Relativita simultánnosti udalostí, časových intervalov. Newtonov zákon v relativistickej podobe. Vzťah medzi hmotou a energiou. Einsteinov vzorec, pokojová energia.

semestrálna práca, pridaná 01.04.2016


Princíp relativity G. Galilea pre mechanické javy. Základné postuláty teórie relativity A. Einsteina. Princípy relativity a nemennosti rýchlosti svetla. Lorentzove transformácie súradníc. Základný zákon relativistickej dynamiky.

abstrakt, pridaný 11.1.2013


História vzniku novej relativistickej fyziky, ktorej ustanovenia sú uvedené v prácach A. Einsteina. Lorentzove transformácie a ich porovnanie s Galileovými transformáciami. Niektoré účinky teórie relativity. Základný zákon a vzorce relativistickej dynamiky.

test, pridaný 1.11.2013


Podstata Einsteinovho princípu relativity, jeho úloha pri popise a štúdiu inerciálnych vzťažných sústav. Pojem a výklad teórie relativity, postuláty a závery z nej, praktické využitie. Teória relativity pre gravitačné pole.

abstrakt, pridaný 24.02.2009


História vzniku Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Princíp ekvivalencie a geometrizácie gravitácie. Čierne diery. Gravitačné šošovky a hnedí trpaslíci. Relativistické a mierkové teórie gravitácie. Modifikovaná newtonovská dynamika.

abstrakt, pridaný 10.12.2013


Všeobecná relativita z filozofického hľadiska. Analýza vytvorenia špeciálnej a všeobecnej teórie relativity od Alberta Einsteina. Experiment s výťahom a experiment Einstein Train. Základné princípy Všeobecnej teórie relativity (GR) Einsteina.

abstrakt, pridaný 27.07.2010


Štúdium kľúčových vedeckých objavov Alberta Einsteina. Zákon vonkajšieho fotoelektrického javu (1921). Vzorec pre vzťah straty telesnej hmotnosti počas energetického žiarenia. Einsteinove postuláty špeciálnej relativity (1905). Princíp stálosti rýchlosti svetla.

prezentácia, pridané 25.01.2012


Galileov princíp relativity. Zákon sčítania rýchlostí. Einsteinove postuláty, ich význam. Lorentzove premeny a dôsledky z nich. Michelsonov interferometer a princípy. Sčítanie rýchlostí v relativistickej mechanike. Vzťah medzi hmotou a pokojovou energiou.

Účel lekcie: vytvoriť u študentov pochopenie toho, ako sa zmenili koncepty priestoru a času pod vplyvom ustanovení Einsteinovej špeciálnej teórie relativity.

Počas vyučovania

1. Analýza kontrolnej práce.

2. Učenie sa nového materiálu.

Koncom 19. storočia boli sformulované hlavné ustanovenia elektrodynamiky. Vyvstala otázka o platnosti Galileovho princípu relativity aplikovaného na elektromagnetické javy. Prebiehajú elektromagnetické javy v rôznych inerciálnych sústavách rovnakým spôsobom: ako sa šíria elektromagnetické vlny, ako spolupôsobia náboje a prúdy pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej?

Inerciálna je taká vzťažná sústava, voči ktorej sa voľné telesá pohybujú konštantnou rýchlosťou. Má rovnomerný priamočiary pohyb vplyv na elektromagnetické procesy (neovplyvňuje mechanické javy)?

Pri prechode z jedného inerciálneho rámca do druhého sa menia zákony elektrodynamiky alebo ako zostávajú Newtonove zákony konštantné?

Napríklad podľa zákonov sčítania rýchlosti v mechanike sa rýchlosť môže rovnať c=3·108m/s iba v jednej referenčnej sústave. V inej referenčnej sústave, ktorá sa sama pohybuje rýchlosťou V, musí byť rýchlosť svetla rovná c̄-V̄. Ale podľa zákonov elektrodynamiky je rýchlosť elektromagnetických vĺn vo vákuu v rôznych smeroch c=3 108 m/s

Medzi elektrodynamikou a newtonovskou mechanikou vznikli rozpory.

Na vyriešenie vzniknutých rozporov boli navrhnuté tri rôzne metódy.

Prvý spôsob Spočíval v opustení princípu relativity, ako sa uplatňuje na elektromagnetické javy. Túto možnosť podporil zakladateľ elektronickej teórie H. Lorentz (Holanďan). Potom sa verilo, že elektromagnetické javy sa vyskytujú vo „svetovom éteri“ - je to všetko prenikajúce médium, ktoré vypĺňa celý svetový priestor. Inerciálnu vzťažnú sústavu považoval Lorentz za sústavu v pokoji vo vzťahu k éteru. V tomto systéme sa prísne dodržiavajú zákony elektrodynamiky a v tomto referenčnom rámci je rýchlosť svetla vo vákuu vo všetkých smeroch rovnaká.

Druhý spôsob bolo vyhlásiť Maxwellove rovnice za nesprávne.

G. Hertz sa ich snažil prepísať tak, aby sa pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej nemenili, teda ako zákony mechaniky. Hertz veril, že éter sa pohybuje spolu s pohyblivými telesami, a preto elektromagnetické procesy prebiehajú rovnakým spôsobom, bez ohľadu na pohyb alebo zvyšok telies. To znamená, že G. Hertz zachoval princíp relativity.

Tretím spôsobom bolo opustiť tradičné predstavy o priestore a čase. Maxwellove rovnice a princíp relativity boli zachované, ale museli byť opustené najočividnejšie, najzákladnejšie myšlienky klasickej mechaniky.

Tento spôsob riešenia rozporov sa nakoniec ukázal ako správny.

Experiment vyvrátil prvý aj druhý pokus o nápravu rozporov, ktoré vznikli medzi elektrodynamikou a mechanikou, pričom princíp relativity zostal nezmenený.

Pri vývoji tretej metódy riešenia problému A. Einstein dokázal, že koncepty priestoru a času sú zastarané a nahradil ich novými.

Maxwellove rovnice, opravené Hertzom, nedokázali vysvetliť pozorované javy. Skúsenosti ukázali, že médium nemôže ťahať svetlo so sebou, pretože bude ťahať éter, v ktorom sa svetlo šíri.

Experimenty amerických vedcov A. Michelsona a E. Morleyho dokázali, že neexistuje médium ako „svetlonosný éter“

Ukázalo sa, že je možné spojiť Maxwellovu elektrodynamiku a princíp relativity s odmietnutím tradičných predstáv o priestore a čase, t. j. vzdialenosť ani plynutie času nezávisia od referenčného rámca.

Na konci 19. storočia boli získané experimentálne údaje, ktoré nebolo možné vysvetliť z hľadiska newtonovskej fyziky. Najmä, ak sa svetelný zdroj a prijímač pohybujú k sebe rovnomerne a priamočiaro, potom sa ich newtonovské rýchlosti musia sčítať. Americký fyzik Michelson a ďalší, ktorí robili experimenty s citlivým interferometrom, však ukázali, že rýchlosti svetla vo vákuu nezávisia od rýchlosti zdroja a prijímača a sú rovnaké vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Einstein dospel k záveru stálosť rýchlosti svetla je základným prírodným zákonom. Tento záver položil Einstein na základ svojej špeciálnej teórie relativity (pozri časť 2.5). Dokázala sa aj invariantnosť Maxwellových rovníc (pozri časť 3.5) pri Lorentzových transformáciách, zatiaľ čo pri Galileových transformáciách nie sú invariantné (pozri 2.4). Z Einsteinovej teórie vyplynulo, že elektromagnetické interakcie (napríklad náboje) sa vo vákuu prenášajú rýchlosťou obmedzenou rýchlosťou svetla cez pole (koncept pôsobenia krátkeho dosahu) vo všetkých referenčných sústavách.

Rozdelenie elektromagnetického poľa na elektrické a magnetické pole je relatívne – v prírode existuje jediné elektromagnetické pole. Svetlo má aj elektromagnetickú povahu (obr. 3.27).

Zákonitosti boli vysvetlené na základe špeciálnej teórie relativity Dopplerov efekt pre elektromagnetické vlny. Keď sa svetelný zdroj vzďaľuje od pozorovateľa rýchlosťou V, dochádza k zmene frekvencie (alebo vlnovej dĺžky o Δλ) v spektre žiarenia zdroja s vlnovou dĺžkou žiarenia λ ( červený posun):

Dopplerov jav našiel uplatnenie v radare na meranie rýchlosti V a vzdialenosti od pohybujúceho sa objektu, v astrofyzike – na meranie vzďaľujúcich sa rýchlostí galaxií atď.

Zmena zdanlivej polohy hviezd v nebeskej sfére v dôsledku konečnosti rýchlosti svetla je tzv. aberácie svetla.

3.7. Kvázistacionárne magnetické pole

Posuvný prúd sa zásadne líši od vodivého prúdu - nesúvisí s pohybom nábojov. Je to spôsobené len zmenou času elektrického poľa (pozri 3.5). Aj vo vákuu vedie zmena elektrického poľa k výskyt magnetického poľa v okolitom priestore. Na tomto základe je posuvný prúd identický s vodivým prúdom, a preto je možné ho konvenčne nazývať „prúd“.

Posuvný prúd j cm sa vyskytuje nielen vo vákuu alebo v dielektrikách, ale aj vo vodičoch, keď nimi prechádza striedavý prúd vedenia j pr.V porovnaní s j pr je však malý (vzhľadom na to sú zanedbané).

V masívnych vodičoch umiestnených v striedavom magnetickom poli sa v súlade so zákonom (3.70) môžu indukovať indukované prúdy. Tieto prúdy sú vírivé prúdy v objeme vodičov a sú známe ako Foucaultove prúdy.

Foucaultove prúdy vytvárajú vlastné magnetické pole, ktoré v súlade s Lenzovým pravidlom (pozri 3.73) bráni zmene magnetického toku, ktorý ich vyvolal. Vysokofrekvenčné Foucaultove prúdy vedú k zahrievaniu vodičov, čo umožňuje ich použitie na tavenie kovov v indukčných peciach, v mikrovlnných rúrach na ohrev vodivých produktov, vo fyzioterapii (ľudské telo je vodič) atď. V iných prípadoch, aby sa znížili tepelné straty v elektrických strojoch a transformátoroch, sa zvyšuje odolnosť voči Foucaultovým prúdom, čím sa ich jadrá nestanú pevnými, ale z tenkých dosiek, ktoré sú navzájom izolované.

V obvodoch so striedavým elektrickým prúdom sa elektrický odpor vodičov zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou prúdu. Vysvetľuje to skutočnosť, že rozloženie hustoty prúdu po priereze vodiča sa stáva nerovnomerným, berúc do úvahy Foucaultove prúdy: hustota prúdu sa zvyšuje blízko povrchu (tzv. kožný efekt). To tiež umožňuje, aby boli vodiče duté (rúrkové). Kožný efekt je základom pre metódy vysokofrekvenčného vytvrdzovania povrchu dielov.

Sila striedavého prúdu je zároveň v rôznych častiach vodiča nerovnaká. Je to spôsobené konečnou rýchlosťou šírenia pozdĺž vodiča meniaceho sa elektromagnetického poľa. Ak však vezmeme do úvahy nízku rýchlosť nosičov náboja v porovnaní s rýchlosťou šírenia poľa, potom možno prúdy považovať za kvázistacionárne ako aj magnetické polia, ktoré vzbudzujú.

Striedavé prúdy sa získavajú pomocou generátorov. Keď sa obvod otáča v rovnomernom magnetickom poli s uhlovou rýchlosťou cez oblasť ohraničenú obvodom, magnetický tok sa periodicky mení (pozri 3.67).

kde Ф 0 je maximálna hodnota prietoku cez oblasť S obrysu.

Elektromotorická sila vznikajúca z toho (pozri 3.70) bude
meniť sínusovo. ε 0 \u003d ωF 0 je amplitúda EMF. Ak je okruh uzavretý, bude v ňom prúdiť striedavý prúd:

.

Vo všeobecnosti má každý vodič okrem ohmického odporu R indukčnosť L a kapacitu C. Poskytujú dodatočný odpor voči prúdu v dôsledku vzhľadu samoindukčného EMF (pozri 3.73) a zotrvačnosti dobíjania kapacity. Potom hodnota amplitúdy striedavého prúdu:

(3.90)

Hodnota
má charakter impedancie ( impedancia). Závisí to od hodnôt R, L, C a frekvencie . Pri  splnení podmienky:

,

impedancia má minimálnu hodnotu rovnajúcu sa R ​​a amplitúda striedavého prúdu dosahuje svoju maximálnu hodnotu:

Frekvencia
- sa nazýva rezonančný R L \u003d La
- nazývané indukčné a kapacitné odpory v obvode striedavého prúdu.

Striedavý elektrický prúd má skvelé praktické využitie. Dá sa prenášať s nízkymi stratami na veľké vzdialenosti a pomocou transformátorov je možné meniť jeho silu a napätie v širokom rozsahu.

Charakterizovať akcie striedavý prúd v porovnaní s jednosmerným prúdom sa zavádza pojem efektívne hodnoty prúdu a napätia. Efektívna hodnota intenzity prúdu je hodnota I spojená s amplitúdou I0 takto:

rovnako aj napätie
. Určujú výkon striedavého prúdu. Môžete tiež uviesť inú definíciu: I D: efektívna hodnota sily striedavého prúdu sa rovná sile jednosmerného prúdu, ktorá uvoľňuje rovnaké množstvo tepla v obvode ako striedavý prúd.

Definícia 1

Elektrodynamika je oblasť fyziky, ktorá študuje elektromagnetické polia a interakcie medzi nimi.

Obrázok 1. Pojem elektrodynamiky. Author24 - online výmena študentských prác

Klasická elektrodynamika komplexne popisuje všetky vlastnosti elektrických a magnetických polí a zohľadňuje aj fyzikálne zákony, vďaka ktorým niektoré fyzikálne telesá prichádzajú do styku s inými, ktoré majú kladný elektrický náboj.

Je zvykom nazývať elektromagnetické pole univerzálnou formou hmoty, ktorá sa prejavuje v dôsledku vplyvu jedného nabitého prvku na druhý. Pri štúdiu elektromagnetického poľa sa často rozlišujú jeho hlavné zložky: elektrické pole a magnetické pole.

Definícia 2

Elektromagnetický potenciál je špeciálna fyzikálna veličina, ktorá presne určuje rozloženie poľa vo všeobecnom priestore.

Elektrodynamiku možno rozdeliť na:

• elektrostatika;
• elektrodynamika spojitého média;
• magnetostatika;
• relativistická elektrodynamika.

Poyntingov vektor je fyzikálna veličina, ktorá je hlavným vektorom hustoty toku energie poľa v elektrodynamike. Hodnota tohto vektora je úmerná energii, ktorú je možné preniesť na jednotku dočasného priestoru cez jednotkovú plochu povrchu, ktorá je priamo kolmá na smer distribúcie elektromagnetickej indukcie.

Elektrodynamika predstavuje dobrý základ pre rozvoj optiky a fyziky rádiových vĺn. Tieto vedné odbory sa považujú za základy elektrotechniky a rádiového inžinierstva. Klasická elektrodynamika využíva koncept Maxwellových rovníc pri popise kľúčových vlastností a princípov interakcie elektromagnetických polí, pričom ho dopĺňa o univerzálne materiálové rovnice, počiatočné a okrajové podmienky.

Princíp relativity v elektrodynamike

Princíp relativity v elektrodynamike sformoval v druhej polovici 19. storočia Maxwell, ktorý oboznámil verejnosť so základnými zákonitosťami elektromagnetického poľa. V dôsledku toho vyvstala logická otázka, či sa táto zákonitosť vzťahuje aj na javy v elektrodynamike. Inými slovami, je potrebné zistiť, či sa elektromagnetické procesy, interagujúce medzi nábojmi a prúdmi, môžu šíriť rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách, alebo či budú v mechanických procesoch rovnomerne rozptýlené.

Aby dali správnu a úplnú odpoveď na túto otázku, fyzici sa rozhodli najprv určiť, či sa centrálne zákony elektrodynamiky menia počas transformácie z jedného systému na druhý alebo zostávajú nezmenené ako Newtonove hypotézy. Len v druhom prípade je žiaduce nepochybovať o platnosti skúmaného princípu s ohľadom na metódy elektromagnetického poľa a potom považovať tento systém za všeobecný prírodný zákon.

Poznámka 1

Zákony elektrodynamiky sú dosť mnohostranné a zložité, takže kompetentné riešenie tohto problému nie je ľahká úloha.

Už zabehnuté úvahy nám však umožňujú nájsť racionálnu odpoveď. Podľa princípov elektrodynamiky je celková rýchlosť šírenia elektrických a magnetických vĺn vo vákuu vždy rovnaká. Na druhej strane však možno tento ukazovateľ prirovnať aj k jednému zvolenému referenčnému systému v súlade s teóriou sčítania rýchlostí newtonovskej mechaniky.

To znamená, že ak je zaužívaný zákon sčítania rýchlosti spravodlivý a platný, tak pri následnom prechode z jedného inerciálneho konceptu na druhý sa princípy elektrodynamiky nevyhnutne musia zmeniť tak, aby v novej vzťažnej sústave bola rýchlosť svetla reprezentovaná už v r. úplne iný vzorec.

Fyzici tak objavili vážne rozpory medzi newtonovskou mechanikou a elektrodynamikou, ktorých zákony nie sú v súlade s princípom relativity.

Pokúsili sa prekonať ťažkosti, ktoré vznikli vďaka nasledujúcim metódam:

• vyhlásenie princípu relativity za neaplikovateľný na elektromagnetické procesy;
• rozpoznať Maxwellove rovnice ako nesprávne a pokúsiť sa ich zmeniť tak, aby sa nemenili pri ďalšom prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej;
• opustenie klasických predstáv o čase a priestore, aby sa ďalej zachoval princíp relativity aj Maxwellove zákony.

Zaujímavé je, že práve tretia možnosť sa ukázala ako jediná pravdivá, pretože jej dôsledným rozvíjaním dokázal A. Einstein predložiť nové predstavy o priestore a čase. Prvé dva spôsoby boli nakoniec vyvrátené v priebehu mnohých experimentov. Myšlienka existencie inerciálnej referenčnej sústavy teda neobstála pri experimentálnom overení.

Zosúladiť princíp relativity s metódami elektrodynamiky bolo možné až po tom, čo vedci opustili klasické predstavy o priestore a čase, podľa ktorých časový priebeh a vzdialenosť nezávisia od prevládajúcej vzťažnej sústavy.

Princíp zachovania elektrického náboja

V prípade nestabilnej elektrizácie fyzikálnych telies sa používa zákon zachovania elektrického kladného náboja. Táto pravidelnosť je celkom spravodlivá pre uzavretý fyzický koncept. Platnosť princípu zachovania náboja v elektrodynamike hrá v prírode dôležitú úlohu vzhľadom na to, že v zložení všetkých látok sú len elektricky nabité častice.

Interakciu elektromagnetických síl medzi telesami nie je možné zistiť, pretože akákoľvek hmota je z elektrickej polohy vo svojom normálnom stave neutrálna. Záporne a kladne nabité prvky sú navzájom priamo spojené elektrostatickými silami a tvoria neutrálne systémy.

Makroskopická látka bude elektricky nabitá, ak vo svojom zložení obsahuje nadbytočný počet elementárnych častíc s určitým znakom náboja.

Vedci oddeľujú časť negatívneho náboja od pozitívneho, aby elektrizovali fyzické telo. To sa dá dosiahnuť trením, ktoré zahŕňa pozorovanie obrovského počtu premien elementárnych častíc.

Existencia skúmaného procesu v priestore medzi pohyblivými prvkami, vďaka ktorému je konečný čas rozdelený, je hlavnou vecou, ​​ktorá odlišuje teóriu pôsobenia na krátku vzdialenosť od hypotézy pôsobenia na diaľku. Kľúčovou vlastnosťou elektrického poľa v elektrodynamike je vplyv jeho častíc na iné elektrické náboje.

Poznámka 2

Elektrostatické pole sa môže objaviť iba pôsobením elektrického náboja, pretože existuje v priestore obklopujúcom navzájom prepojené náboje.

Čiary magnetickej indukcie v elektrodynamike

Pre smer hlavného vektora magnetickej indukcie vedci používajú indikátor južného pólu vzhľadom na severnú magnetickú ihlu, ktorá je voľne nastavená v magnetickom poli. Tento smer v elektrodynamike sa úplne zhoduje so smerom kladnej energie uzavretej slučky s prúdom. Kladná normála sa pohybuje v smere, kde sa gimlet transformuje, ak ho otočíte rovnobežne s prúdom v slučke.

Pravidlo gimletu môže byť formulované nasledovne: ak sa smer neustáleho pohybu gimletu nakoniec zhoduje s prúdom vo vodiči, potom sa smer otáčania rukoväte automaticky prirovná k vektoru magnetickej indukcie. V magnetickom poli aktívne pôsobiaceho priamočiareho vodiča je šípka nastavená striktne pozdĺž dotyčnicového kruhu.

Definícia 3

Čiary magnetickej indukcie sú špeciálne čiary, ktorých dotyčnice sú nasmerované rovnakým spôsobom ako vektor v určitom bode poľa.

Parametre rovnomerného poľa sú vždy paralelné a hlavný znak indukčných čiar magnetov v elektrodynamike sa nazýva ich nekonečnosť. Polia s uzavretými siločiarami vytvárajú magnetické pole, ktoré nemá žiadne zdroje.

Princíp relativity a Newtonove zákony

Galileov princíp relativity organicky vstúpil do klasickej mechaniky vytvorenej I. Newtonom. Vychádza z troch „axióm“ – troch slávnych Newtonových zákonov. Už prvý z nich, ktorý znie: „Každé teleso je naďalej držané v stave pokoja alebo rovnomerného a priamočiareho pohybu, kým a pokiaľ nie je prinútené aplikovanými silami tento stav zmeniť,“ hovorí o relativite pohybu. a zároveň naznačuje existenciu vzťažných sústav (nazývali sa inerciálne), v ktorých sa telesá, ktoré nepociťujú vonkajšie vplyvy, pohybujú „zotrvačnosťou“, nezrýchľujú ani nespomaľujú. Práve na takéto inerciálne sústavy sa myslí pri formulovaní ďalších dvoch Newtonových zákonov. Pri prechode z jednej inerciálnej sústavy do druhej sa mnohé veličiny, ktoré charakterizujú pohyb telies, menia, napríklad ich rýchlosti alebo tvar trajektórie pohybu, ale pohybové zákony, teda vzťahy spájajúce tieto veličiny, zostávajú zachované. konštantný.

Galileovské premeny

Aby Newton opísal mechanické pohyby, teda zmenu polohy telies v priestore, jasne sformuloval predstavy o priestore a čase. Priestor bol koncipovaný ako akési „pozadie“, na ktorom sa odvíja pohyb hmotných bodov. Ich polohu je možné určiť napríklad pomocou karteziánskych súradníc x, y, z v závislosti od času t. Pri pohybe z jedného inerciálneho referenčného rámca K do druhého K ", pohybe vzhľadom k prvému pozdĺž osi x rýchlosťou v, sú súradnice transformované: x" \u003d x - vt, y "= y, z" \u003d z a čas zostáva nezmenený: t" = t. Predpokladá sa teda, že čas je absolútny. Tieto vzorce sa nazývajú Galileove transformácie.

Priestor podľa Newtona pôsobí ako akási súradnicová mriežka, na ktorú nemá vplyv hmota a jej pohyb. Čas v takomto „geometrickom“ obraze sveta je akoby počítaný nejakými absolútnymi hodinami, ktorých priebeh nemožno ani urýchliť, ani spomaliť.

Princíp relativity v elektrodynamike

Galileov princíp relativity sa viac ako tristo rokov pripisoval len mechanike, aj keď v prvej štvrtine 19. storočia, predovšetkým vďaka prácam M. Faradaya, vznikla teória elektromagnetického poľa, ktorá sa potom ďalej rozvíjala. matematicky formulované v prácach J.K. Maxwell. Prenos princípu relativity na elektrodynamiku sa však zdal nemožný, pretože sa verilo, že celý priestor je vyplnený špeciálnym médiom - éterom, ktorého napätie sa interpretuje ako sila elektrického a magnetického poľa. Éter zároveň neovplyvňoval mechanické pohyby telies, takže v mechanike ho „necítil“, ale pohyb vo vzťahu k éteru („éterový vietor“) mal mať vplyv na elektromagnetické procesy. Výsledkom je, že experimentátor v uzavretej kabíne by mohol pozorovaním takýchto procesov zdanlivo určiť, či bola jeho kabína v pohybe (absolútne!), alebo či bola v pokoji. Najmä vedci verili, že „éterický vietor“ by mal ovplyvňovať šírenie svetla. Pokusy objaviť „éterový vietor“ však neboli úspešné a zavrhol sa koncept mechanického éteru, vďaka čomu sa princíp relativity akoby znovuzrodil, ale už ako univerzálny, platný nielen v r. mechaniky, ale aj elektrodynamiky a iných oblastí fyziky.

Lorentzove premeny

Rovnako ako Newtonove rovnice sú matematickou formuláciou zákonov mechaniky, Maxwellove rovnice sú kvantitatívnou reprezentáciou zákonov elektrodynamiky. Tvar týchto rovníc musí zostať nezmenený aj počas prechodu z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej. Na splnenie tejto podmienky je potrebné nahradiť Galileiho transformácie inými: x"= g(x-vt); y"= y; z "= z; t" \u003d g (t-vx / c 2), kde g \u003d (1-v 2 / c 2) -1/2 a c je rýchlosť svetla vo vákuu. Posledné transformácie, ktoré v roku 1895 zaviedol H. Lorentz a nesú jeho meno, sú základom špeciálnej (alebo partikulárnej) teórie relativity. Pri vc sa menia na galileovské transformácie, ale ak je v blízko c, potom sú tu značné rozdiely od obrazu priestoročasu, ktorý sa zvyčajne nazýva nerelativistický. V prvom rade sa odhaľuje nejednotnosť zvyčajných intuitívnych predstáv o čase, ukazuje sa, že udalosti, ktoré sa vyskytujú súčasne v jednom referenčnom rámci, prestávajú byť simultánne v inom. Mení sa aj zákon prepočtu rýchlosti.

Transformácia fyzikálnych veličín v relativistickej teórii

V relativistickej teórii priestorové vzdialenosti a časové intervaly nezostávajú nezmenené počas prechodu z jedného referenčného rámca do druhého, pohybujú sa vzhľadom na prvý s rýchlosťou v. Dĺžky sa skrátia (v smere pohybu) 1/g krát a časové intervaly sa "natiahnu" o rovnaký počet krát. Relativita simultánnosti je hlavnou zásadne novou črtou modernej súkromnej teórie relativity.