Elektrodynamika klasyczna – dział fizyki zajmujący się własnościami i oddziaływaniem obiektów naładowanych, z pominięciem efektów
kwantowych
. Elektrodynamika klasyczna opisuje aspekty klasyczne jednego z czterech
podstawowych oddziaływań
przyrody –
oddziaływań elektromagnetycznych
. Podstawowymi pojęciami elektrodynamiki klasycznej są
pole elektryczne
,
pole magnetyczne
,
ładunek elektryczny
, oraz
prąd elektryczny
. Podstawę teorii tworzą
równania Maxwella
(
James Clerk Maxwell
) i
zasada zachowania ładunku
. Z tych praw można wyprowadzić
równanie falowe
,
prawo Biota-Savarta
i inne. Symetria równań Maxwella opisana przez
transformacje Lorentza
oraz nieudane próby (
eksperyment Michelsona-Morleya
) potwierdzenia istnienia
eteru
(klasycznego nośnika fali elektromagnetycznej) doprowadziły do zmiany koncepcji czasu i przestrzeni w
szczególnej teorii względności
i wyłonienie się koncepcji
czasoprzestrzeni Minkowskiego
. Niemożność wytłumaczenia przez elektrodynamikę klasyczną
promieniowania ciała doskonale czarnego
oraz
zjawiska fotoelektrycznego
doprowadziła do powstania
mechaniki kwantowej
.
Naładowaną elektrycznie materię opisuje rozkład ładunku elektrycznego ρe i płynący prąd elektryczny j. Są to źródła pola elektromagnetycznego (E, H) lub D=εε0E, B=μμ0H). Związki między nimi opisują
równania Maxwella
:
Elektrostatyka | Magnetostatyka | Przybliżenie kwazistacjonarne | Równania Maxwella |
---|
| - | | |
| - | | |
- | | | |
- | | | |
Podstawą elektrodynamiki są równania Maxwella. W próżni (ε=1, μ=1) rozwiązaniem równań Maxwella jest
fala elektromagnetyczna
. Rozwiązaniem tych równań jest rozkład pola elektrycznego E(x,t) i magnetycznego B(x,t) wywołany przez zewnętrzny płynący prąd elektryczny j(x,t) i odpowiedni rozkład ładunku elektrycznego ρe(x,t). Pola te można opisać za pomocą potencjału skalarnego φ i potencjału wektorowego A:
Wielkości te wyznaczają fizyczne pola w sposób niejednoznaczny. Transformacja:
gdzie f(r,t) jest dowolnym polem skalarnym, nazywana transformacją cechowania nie zmienia wartości pól fizycznych E(x,t) i B(x,t). Zbiór transformacji cechowań tworzy lokalną
grupę
cechowań U(1). Lokalność oznacza, że element grupy jest dowolną funkcją punktu w czasoprzestrzeni (x,t). Grupa cechowania U(1) jest
symetrią
elektrodynamiki. Na mocy
twierdzenia Noether
z symetrii tej wynika prawo zachowania ładunku elektrycznego. Następną konsekwencja tej symetrii jest bezmasowość
fotonu
. Zerowa masa fotonu oznacza, że prędkość światła w próżni jest fundamentalną stałą przyrody
c
. Następną konsekwencją tej symetrii jest daleki zasięg oddziaływania elektromagnetycznego (dla cząstki punktowej o ładunku elementarnym e, φ ~ 1/r). Dzięki temu możemy oglądać odległe galaktyki.
Cząstka o ładunku elektrycznym q czuje pole elektryczne i magnetyczne jako zewnętrzną siłę (
siła Lorentza
)
Samo pole elektromagnetyczne niesie energię , pęd i moment pędu:
gdzie
jest gęstością energii pola elektromagnetycznego a
jest gęstością pędu pola elektromagnetycznego ( jest
wektorem Poyntinga
). Gęstość momentu pędu pola elektromagnetycznego to: . Wzory te nie są prawdziwe dla małych porcji pola elektromagnetycznego (
efekt fotoelektryczny
) co doprowadziło do powstania
mechaniki kwantowej
.
Pierwotnie elektryczność i magnetyzm uważano za odrębne, niezwiązane z sobą
zjawiska fizyczne
. W
1820
roku Oersted odkrył, że prąd elektryczny może wywołać pojawienie się pola magnetycznego, a w
1831
Faraday zauważył, że poruszający się
magnes
wywołuje
prąd
elektryczny. Unifikacji elektryczności i magnetyzmu dokonał
James Clerk Maxwell
w 1856 roku. Konsekwencją tej
unifikacji
było przewidzenie przez Maxwella istnienia fal elektromagnetycznych, potwierdzonego doświadczalnie w roku
1888
przez
Hertza
. Te odkrycia pozwoliły połączyć teorię elektryczności, magnetyzmu i
optykę
w jednolitą teorię elektrodynamiki.
Kwantowa wersja elektrodynamiki -
elektrodynamika kwantowa
jest najbardziej dokładną teorią fizyczną. Elektrodynamika jest podstawą teoretyczną współczesnego rozwoju technologicznego.
Literatura
David J. Griffiths, Podstawy elektrodynamiki, PWN, Warszawa, 2005