⚡️ Уравнения Максвелла ✨

К первой половине 19 века понимание электромагнетизма улучшилось благодаря многочисленным экспериментам и теоретическим работам. В 1780-х годах Шарль-Огюстен де Кулон установил свой закон электростатики. В 1825 году Андре-Мари Ампер опубликовал свой закон силы. В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в ходе своих экспериментов и предложил силовые линии для ее описания. В 1834 году Эмиль Ленц решил проблему направления индукции, а Франц Эрнст Нейман записал уравнение для расчета индуцированной силы при изменении магнитного потока. Однако эти экспериментальные результаты и правила были плохо организованы и иногда сбивали ученых с толку. Требовалось всеобъемлющее изложение принципов электродинамики.

Эта работа была выполнена Джеймсом К. Максвеллом на основе серии статей, опубликованных с 1850-х по 1870-е годы.

В 1850-х годах Максвелл работал в Кембриджском университете, где на него произвела впечатление концепция силовых линий Фарадея. Фарадей создал эту концепцию под впечатлением от Роджера Босковича, физика, который также повлиял на работу Максвелла. Позже, Оливер Хевисайд изучил Трактат Максвелла по электричеству и магнетизму и использовал векторное исчисление, чтобы синтезировать более 20 уравнений Максвелла в 4 узнаваемых, которые используют современные физики. Уравнения Максвелла также вдохновили Альберта Эйнштейна на разработку специальной теории относительности.

Экспериментальное доказательство уравнений Максвелла было продемонстрировано Генрихом Герцем в серии экспериментов в 1890-х годах. После этого уравнения Максвелла были полностью приняты учеными. #научные_фильмы #физика #электродинамика #электричество #магнетизм #science #видеоуроки #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

Момент перегорание лампочки 💥

При горении лампочки вольфрамовая спираль нагревается до огромной температуры, до белого каления. Меняется её сопротивление, металл испаряется, спираль под действием силы тяжести провисает, и туда стекает часть расплавленной спирали. В результате всего этого та часть спирали, что находится в точках крепления, истончается сильнее и в момент загорания лампочки перегорает, потому что она тоньше и не выдерживает ток (накаляется быстрее). #gif #физика #электричество #электродинамика #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ Перед ударом молнии в землю в атмосфере происходят физические процессы, связанные с образованием канала молнии, ионизацией воздуха и ролью электрического поля. Эти процессы также влияют на возникновение грома — звукового явления, сопровождающего разряд молнии. Перед основной вспышкой молнии формируется ступенчатый лидер — узкий канал ионизированного воздуха, который движется от облака к земле. Некоторые особенности процесса:
1. Электроны под действием разности потенциалов начинают двигаться к земле, сталкиваясь с молекулами воздуха, ионизируя их.
2. Из-за ионизации воздуха электропроводность в зоне траектории лидера возрастает, что создаёт путь для основного разряда.
3. Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.

В сильном электрическом поле вблизи центра лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха. Это происходит за счёт:
▪️бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (ударная ионизация);
▪️поглощения атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация).

Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~1 МВ/м), а в значительной части облака — поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~0,1–0,2 МВ/м). Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землёй: напряжённость электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряжённости больше 2500 кВ/м.

Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Некоторые особенности механизма:
1. Вдоль пути разряда молнии возникает внезапное нагревание и сильное расширение воздуха, похожее на сильный взрыв.
2. Это расширение вызывает ударную волну, перемещающуюся в атмосфере и достигающую земной поверхности.
3. Обычно гром воспринимается не как отдельный резкий звук, а как ряд последовательных ударов — раскатов, которые отличаются интенсивностью и продолжаются по несколько секунд.

⚡️ Уравнения Максвелла ✨

📙 От Кирхгофа до Планка [1981] Ханс-Георг Шёпф

⚡️ Лучшая подборка экспериментов, связанных с током [МИФИ Гервидс Валериан Иванович]

🧊 Кварц используют как источник времени в кварцевых часах 📟

⚡️ Откуда берется трехфазный ток?

⚡️ Ручной генератор для зарядки в любых условиях

#научные_фильмы #физика #электродинамика #электричество #магнетизм #science #видеоуроки #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

💡 Тиристор — полупроводниковый прибор, предназначенный для однонаправленного преобразования тока (ток пропускается только в одну сторону). Имеет два устойчивых состояния:
«закрытое» — состояние низкой проводимости;
«открытое» — состояние высокой проводимости.
Назначение тиристора — выполнение функции электронного выключателя (ключа). Особенность — невозможность самостоятельного переключения в закрытое состояние. Тиристор состоит из четырёх чередующихся слоёв (структура p-n-p-n). Внутри прибора находятся три p-n-перехода, которые соединены последовательно.
У тиристора есть три вывода: анод, катод и управляющий электрод (его ещё называют затвором).

Принцип работы: Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора).
Особенности работы:
▪️После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала.
▪️Тиристор остаётся в открытом состоянии, пока протекающий через него ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.
▪️Если ток снизится, тиристор автоматически закроется.

Тиристоры подразделяются, главным образом, по способу управления и проводимости. Например:
▪️Диодные (динисторы) — не содержат управляющих электродов, управляются напряжением, приложенным между основными электродами.
▪️Триодные (тринисторы) — содержат один управляющий электрод. В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду.
▪️Симметричные (симисторы) — способны проводить ток в обоих направлениях.

Применение: Тиристоры используются в схемах, где требуется надёжное включение и отключение тока, например в регуляторах мощности, фазовых переключателях и источниках питания. Также тиристоры применяются в ключевых устройствах, например, в силовом электроприводе.
#научные_фильмы #физика #электродинамика #электричество #магнетизм #science #видеоуроки #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡ Симистор (симметричный триодный тиристор, триак) — полупроводниковый прибор, разновидность тиристоров, используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ).

Особенность симистора — способность проводить ток в обеих полярностях, в отличие от тиристора, который работает только в одном направлении. Это позволяет использовать симисторы в цепях переменного тока без дополнительной схемы мостового выпрямления. Симистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод (Gate).

Симисторы могут быть подключены к нагрузке различными способами, в зависимости от требований схемы:
▪️ Последовательное подключение — включается последовательно с нагрузкой, наиболее распространено для управления мощностью ламп, двигателей или нагревателей.
▪️ Мостовая схема — используется в мостовой конфигурации для управления мощностью в более сложных приложениях.

Принцип работы: Процесс включения симистора начинается с подачи импульса на управляющий электрод (Gate). Когда напряжение достигает определённого порогового значения, структура симистора переходит из состояния блокировки в состояние проводимости. В это время через прибор начинает течь ток.

Особенности симисторов: Способность к самозадержке — после срабатывания (включения) симистор остаётся в проводящем состоянии до тех пор, пока ток через него не упадёт ниже определённого уровня. Этот принцип работает, даже если сигнал на управляющем электроде пропадёт.

Симисторы используются в различных устройствах, например:
▪️ регуляторы скорости электродвигателей;
▪️ преобразователи энергии;
▪️ световые регуляторы.

Существует два основных направления использования симисторов: для включения/выключения коммутации нагрузки в цепях переменного тока и для регулирования мощности, передаваемой в нагрузку путём изменения напряжения. #научные_фильмы #физика #электродинамика #электричество #магнетизм #science #видеоуроки #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ С чего начать моделирование электрических полей?

Задумывались ли вы, как «увидеть» невидимое? Электрическое поле окружает нас повсюду, от розетки до экрана смартфона. Давайте разберемся, как смоделировать его для точечных зарядов и сложных поверхностей и получить эти завораживающие картинки силовых линий и эквипотенциалей.

1. Фундамент: Главные Уравнения
▪️ Закон Кулона для точечного заряда: F = k * (q₁ * q₂) / r² . Но для поля удобнее работать с напряженностью E = F / q.
▪️ Принцип суперпозиции: Поле системы зарядов — это просто векторная сумма полей от каждого заряда в отдельности. Это наше главное оружие в моделировании.

2. Силовые Линии и Эквипотенциали
Поле можно описывать по-разному, и это ключ к красивой визуализации.
▪️Силовые линии (Графическое отображение напряженности E):
— Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором E.
— Свойства: Начинаются на «+» зарядах, заканчиваются на «-» или уходят в бесконечность. Никогда не пересекаются!
— Густота линий пропорциональна величине напряженности.
▪️Эквипотенциальные поверхности (Графическое отображение потенциала φ):
— Что это? Поверхности, где потенциал постоянен (φ = const).
— Свойства: Всегда перпендикулярны силовым линиям. Работа по перемещению заряда вдоль такой поверхности равна нулю.

3. Как Строить Уравнения?
Для точечного заряда q в точке (x₀, y₀):
— Потенциал: φ(x, y) = k * q / sqrt( (x - x₀)² + (y - y₀)² )
— Вектор напряженности E: Eₓ = -∂φ/∂x, Eᵧ = -∂φ/∂y (это просто частные производные, градиент со знаком минус).
А как получить уравнение силовой линии? Это уже сложнее. Силовая линия — это кривая, которая в каждой точке направлена вдоль E. Математически это решается через дифференциальное уравнение: dx / Eₓ(x, y) = dy / Eᵧ(x, y). Решая его (часто численно!), мы получаем траектории для наших визуализаций.

4. Инструменты для Моделирования и Визуализации
▪️Python — король научной визуализации: Библиотеки: matplotlib, numpy, scipy.
▪️Как: Задаете сетку точек (x, y), для каждой считаете Eₓ и Eᵧ (суммируя вклады от всех зарядов). Затем:
— Для силовых линий: используйте matplotlib.streamplot
— Для эквипотенциалей: matplotlib.contour или contourf для потенциала φ.

🖥 Простой пример кода для двух зарядов:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Создаем сетку
x = np.linspace(-2, 2, 100)
y = np.linspace(-2, 2, 100)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

# Задаем заряды (q, x, y)
charges = [(1, -0.5, 0), (-1, 0.5, 0)]

# Вычисляем полные Eₓ и Eᵧ на сетке
Ex = np.zeros(X.shape)
Ey = np.zeros(Y.shape)
k = 9e9
for q, xq, yq in charges:
    R = np.sqrt((X - xq)**2 + (Y - yq)**2)
    Ex += k * q * (X - xq) / R**3
    Ey += k * q * (Y - yq) / R**3

# Рисуем силовые линии
plt.streamplot(X, Y, Ex, Ey, color='blue', linewidth=1, density=2)
plt.show()

Готовые симуляторы:
— PhET Interactive Simulations (отлично для начального понимания).
— Falstad's E&M Simulator (очень наглядно).
— Comsol Multiphysics, Ansys — для серьезного моделирования сложных поверхностей.

🔴 А что с Крупными Заряженными Поверхностями? Здесь принцип суперпозиции остается, но суммирование становится интегрированием. Каждую поверхность разбиваете на маленькие точечные заряды dq и интегрируете их вклад в поле. На практике для сложных форм это почти всегда делается численными методами (например, методом конечных элементов), которые и используют пакеты вроде Comsol. Начните с Python и пары точечных зарядов. Поймите связь между φ и E, научитесь строить streamplot и contour. #электричество #физика #моделирование #визуализация #python #наука #образование #электрическоеполе #программирование

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ Опыты Фарадея 🧲

29 августа 1831 года знаменитый английский физик Майкл Фарадей после 10 лет экспериментов открыл явление электромагнитной индукции. Это явление состоит в возникновении ЭДС индукции в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Некоторые опыты Майкла Фарадея, которые имеют наибольшее значение для теории электромагнетизма:

🔸 Опыт с катушкой и магнитом. Взаимодействие движущегося магнита и катушки, намотанной из проводника, порождает электрический ток. При введении магнита в катушку в цепи возникает электрический ток одного направления (стрелка гальванометра отклоняется, например, вправо), при выведении магнита из катушки стрелка отклоняется в противоположную сторону.

🔸 Опыт с двумя катушками. По одной из них пропускали ток, к другой был подключён гальванометр. В момент начала или окончания пропускания тока по первой катушке стрелка гальванометра, подключённого ко второй, колебалась. Этот опыт показывал, что не только магнетизм можно превратить в электричество, но и электричество в магнетизм.

Видеопримеры по теме:

🔥 Индукционный нагрев

💫 «Гроб Мухаммеда»

🧲 Как работают трансформаторы?

⚡️ Основные физические понятия электродинамики (Леннаучфильм)

✨ Взаимодействие зарядов. Электростатическая индукция

💫 Исследование электрических полей. Опыт по физике

⚡️ Уравнения Максвелла ✨

⚙️ Электромагнитная подвеска 🧲

#видеоуроки #physics #физика #опыты #электродинамика #электричество #магнетизм #эксперименты #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib