משתמש:Avneref/מדע/פיזיקה/מודרנית
דף זה אינו ערך אנציקלופדי
| ||
דף זה אינו ערך אנציקלופדי | |
משתמש:Avneref/מדע/פיסיקה/משוואות; משתמש:Avneref/הנדסה/חשמל
בסוף המאה ה-19[עריכת קוד מקור | עריכה]
Quantum Theory Made Easy, סרטון באתר יוטיוב
- מכניקה: תוכננה לנבא את התנועה של גופים מסיביים - דברים שמושפעים מכבידה
- תרמודינמיקה: הקשר בין טמפרטורה וחום לבין אנרגיה וכוחות
- אלקטרומגנטיות: אינטראקציות בין חלקיקים טעונים.
אופרטורים[עריכת קוד מקור | עריכה]
אופרטור הגזירה (דֶל)[עריכת קוד מקור | עריכה]
גרדיאנט[עריכת קוד מקור | עריכה]
גרדיאנט של שדה סקלרי הוא שדה וקטורי, כך שוקטור הגרדיאנט מצביע אל הכיוון בו השינוי בשדה הסקלרי מירבי; גודל וקטור הגרדיאנט כשיעור השינוי המירבי.
למשל: הפוטנציאל הוא שדה סקלרי , והכוח שפועל על חלקיק שנמצא בהשראת אנרגיה פוטנציאלית, הוא הגרדיאנט של האנרגיה הפוטנציאלית ; משמעות: הכח הפועל על הגוף מושך לכיוון בו הפוטנציאל קטֵן במידה המירבית.
דיברגנץ[עריכת קוד מקור | עריכה]
דיברגנץ של שדה וקטורי הוא שדה סקלרי, שמבטא את "כמות" (צפיפות) המקורות של השדה בכל נקודה; זאת ע"י סיכום של התוספות לוקטור בשלושת הממדים:
מודד את המידה שבה השדה "מתפזר" (diverges) מהנקודה - ובפיזיקה: כתוצאה ממקור שיוצר שדה של וקטורים ש"יוצאים" מהמקור; לכן, אם שדה הוקטורים "מצביע" על הנקודה מכל הכיוונים - השדה "מתכנס" אליה, והדיברגנץ שלילי חזק. מסוסקינד
- משפט הדיברגנץ (גאוס):
משוואות מקסוול[עריכת קוד מקור | עריכה]
משוואה 1[עריכת קוד מקור | עריכה]
הדיברגנץ של צפיפות-השטף של השדה חשמלי בנקודה, הוא צפיפות המטען שם:
- (ובחלל חופשי, צפיפות-השטף של השדה: )
זהו חוק קולון; או בהכללה חוק גאוס: אחד המקורות של השדה החשמלי הוא המטען החשמלי.
משמעות: קיום מטען בנקודה יוצר שדה (חשמלי) של וקטורים ש"יוצא" מהנקודה; במדויק: צפיפות המטען יוצרת תוספת לשטף של השדה החשמלי בנקודה.
- אנלוגיה: הדיברגנץ של שדה הכבידה בנקודה, שווה לצפיפות המסה: (ו-A היא תאוצת הכבידה בכל נקודה)
במקרה הפשוט של חוק קולון למטען "נקודתי" Q (או אפילו למטען נפחי שגודלו הכולל Q) - השדה במרחק r מ"מרכז" המטען: .
במקרה הכללי של שדה:
רכיבי השדה של מטען כזה:
,[1]
ומהגדרת הדיברגנץ:
, ואכן, מחוץ לכדור אין מטען.
בתוך הכדור:
[1]
, בהתאם לצפיפות המטען בתוך הכדור.
בקואורדינטות כדוריות: מחוץ לכדור,
ובתוך הכדור:
השדה החשמלי בתוך טבעת טעונה, סרטון באתר יוטיוב
משוואה 2[עריכת קוד מקור | עריכה]
הדיברגנץ של צפיפות-שטף של השדה מגנטי הוא אפס:
- (ובחלל חופשי, צפיפות-השטף של השדה: )
משמעות:
- לשדה מגנטי אין מקורות חוץ מזרם חשמלי. [2]
- סך השטף המגנטי דרך כל נפח סגור הוא 0 - זהו חוק גאוס למגנטיות. שקול לכך: "קו שדה" מגנטי לעולם לא מתחיל או מסתיים בנקודה (בניגוד לחשמלי) - הם תמיד יוצרים עקומות סגורות; ולכן לא יתכן גוף סגור, אפילו אינפניטסימלי, שסך השטף דרכו, יוצא ונכנס, אינו 0.
- השדה המגנטי אי-דחיס Solenoidal.
- אין בעולם (כנראה) מונופול מגנטי - כל המגנטים באים בזוגות. [3]
רוטור[עריכת קוד מקור | עריכה]
רוטור של שדה וקטורי הוא שדה וקטורי, שמבטא (לכל נקודה במרחב) את המידה שבה השדה "מסובב מגנט-בוחן" (במרחב, לא בזמן) סביב הנקודה; כיוון וקטור הרוטור הוא בניצב למישור הסיבוב.
הרוטור של שדה מגנטי B במרחק מתיל נושא-זרם I הוא 0; רק בנקודה בה יש זרם, הרוטור שווה לצפיפות הזרם J. [2]
"מבחן" לכך שהרוטור [למשל: של B] אינו 0: שמים כדור קטן בנקודה בשדה [B]; אם יש "זרימה" של מקור [J], שהוא שדה וקטורי שיוצר את השדה [B], אז השדה [B] יסובב את הכדור על ציר שפונה בכיוון המקור [J] [כי בהשפעת J, השדה B גדול בכיוון של קוי השדה החיצוניים יותר מאשר בכיוון הפנימיים; למשל, אם במוליך בעל חתך מעגלי יש J אחיד, אז בתוך המוליך B גדל כלפי חוץ בשיעור r, ומחוץ לו B קטֵן בשיעור r. [4]]. באזור שבו [J] הוא 0, הכדור לא יסתובב, למרות ש-[B] קיים (ואפילו נראה כמסתובב; הסיבה כנראה: אמנם בכיוון רחוק מהמוליך השדה קטֵן בשיעור r, אבל המנוף שלו גדל באותו שיעור, כך שממונט הסיבוב נשמר). [1]
- .
אם רוטור שווה 0 בכל נקודה, אז הוא בהכרח גרדיאנט של שדה פוטנציאל. הסיבה: לפי חוק סטוקס לוקטורים, אינטגרל משטחי של הרוטור של F שווה לאינטגרל הקוי של F על שפת המשטח; אם הרוטור זהותית 0, כך גם הקוי על כל מסילה סגורה במרחב; מכאן שפונקציה סקלרית φ שמוגדרת כאינטגרל קוי על F לאורך מסילה: - אינה תלויה במסילה (ולכן היא מוגדרת היטב), ולכן F משמר, הוא גרדיאנט של φ (כי להיפך: φ האינטגרל של F), ו-φ הוא שדה פוטנציאל. [2]
משוואה 3[עריכת קוד מקור | עריכה]
1. הרוטור של השדה האלקטרוסטטי הוא 0.
משמעות: שדה אלקטרוסטטי לא "מסתובב" סביב כיוון השדה (אין קשר לכך ש"קווי השדה" עשויים להתעקם - בדומה לשדה מגנטי בנקודה ללא זרם, שמסתובב אך הרוטור הוא 0). בניגוד לשדה מגנטי שמסתובב "ממש" כתוצאה מזרם בנקודה - לשדה חשמלי אין כל מקור "זורם" ש"מסובב אותו"; ולשדה מגנטי אין מקור פרט לזרמים (#משוואה (2)).
2. כללית: הרוטור של השדה החשמלי (כולל השדה שנובע משינוי השדה המגנטי בזמן), שווה לקצב השינוי (של צפיפות שטף) השדה המגנטי:
זהו חוק פאראדיי. משמעות: שינוי בשדה המגנטי משרה שדה חשמלי חדש; אם השינוי הוא מחזורי (בפרט: סינוסי), אז גם השדה החשמלי משתנה כסינוס, ונוצר גל אלקטרומגנטי.
משוואה 4[עריכת קוד מקור | עריכה]
- או:
זהו חוק אמפר עם תיקון מקסוול.
משמעות: מקורות השדה המגנטי הם שינוי (צפיפות שטף) השדה החשמלי, וזרם חשמלי. [2]
הקבלה[עריכת קוד מקור | עריכה]
שדה B הוא רוטור של פוטנציאל וקטורי A (כפי ששדה E שהוא גרדיאנט של פוטנציאל סקלרי φ). זה נובע מ:
- (לשדה המגנטי אין מקורות);
לכל וקטור A: [5] ומכאן שניתן למצוא שדה וקטורי כך ש . שדה זה הוא הפוטנציאל הווקטורי.
כוח לורנץ[עריכת קוד מקור | עריכה]
המשוואות בתוספת הכוח מאפשרות לבנות את משוואות התנועה של כל חלקיק.
גל אלקטרומגנטי[עריכת קוד מקור | עריכה]
- המקור האמיתי של גלים אלקטרומגנטיים, סרטון באתר יוטיוב, בערוץ של Atoms and Sporks
- תפיסות שגויות:
- שדה חשמלי נוצר ע"י מטען, שדה מגנטי - ע"י זרם; לא - השדה האלקטרומגנטי (כולו) בנקודה מסויימת הוא המידע (הלא-מעודכן) על מיקומו, מהירותו ותאוצתו של מטען בעבר (מבלי תאוצה - יש רק שדה חשמלי).
- השדות החשמלי והמגנטי יוצרים זה את זה; לא - הם לא משפיעים זה על זה, שניהם נוצרים ביחד ברגע שהגל הגיע מהמקור שלהם.
- הם נעים כגל בעל צורה סינוסית קבועה; לא - צורת הגל תלויה בהתנהגות המקור.
קרינת גוף שחור[עריכת קוד מקור | עריכה]
גוף שבולע את כל הקרינה; בקירוב טוב: השמש, היקום, נורת להט, גוף חי - לא פולטים כמעט קרינה שהם סופגים. לכן הקרינה שלהם היא קרינה תרמית?, ולה יש תכונות:
- הספקטרום תלוי רק בטמפרטורה - לא בחומר
- תדירות שיא הקרינה: לינארי בטמפרטורה
- פלאנק הצליח לנסח את ההתפלגות כפונקציה של התדירות, אבל רק בהנחה שהקרינה נפלטת במנות של h*υ. ללא הנחה זו: חוק ריילי-ג'ינס נכון רק לתדירויות נמוכות, וסוטה מתוצאות ניסוי באזור האולטרה-סגול - "הקטסטרופה של העל-סגול". לתדירויות גבוהות: חוק וין - פשוט ואמפירי, אבל לא מסביר.
קרני רנטגן[עריכת קוד מקור | עריכה]
הספטרום מורכב משתי תופעות:
- רציף, כתוצאה מקרינת בלימה (Bremsstrahlung): בלימת אלקטרונים מהירים שנתקעים בחומר, מוסבר בפיזיקה קלאסית ע"י קרינה שנוצרת מהאטת האלקטרונים; אך לא מוסבר: הספקטרום מסתיים באורך-גל מינימלי, שלא תלוי בחומר, אבל תלוי-הפוך במתח ההאצה. הסיבה: כדי לפלוט פוטון באורך גל λ, אלקטרון חייב אנרגיה מינימלית h*c/λ; אבל האנרגיה שלו היא eV באלקטרון-וולטים, ואם היא לא מספיק גדולה, אז λ יהיה קטן מ-h*c/eV ולא ייפלט פוטון. הוכחה לחלקיקיות של קרינת-X.
- קווי, שאורך-הגל שבו הקו מופיע תלוי בחומר. ???
אפקט קומפטון[עריכת קוד מקור | עריכה]
קרני X מתפזרות אחרי פגיעה במוצק (למשל: גרפיט, פרפין). תדירות הקרינה המופזרת קטנה יותר, והפרש אורך-הגל קשור לזווית הפיזור: λ(θ)-λ0=0.0243Å*(1-cosθ)z.
הוכיח סופית שלפוטון יש תנע ואנרגיה, ולכן לקרינה גם אופי חלקיקי (פרס נובל לפיזיקה, 1927).
יש גם קרינה חוזרת ללא שינוי תדירות: פיזור תומפסון, כתוצאה מפגיעה באטומים (למעשה, באלקטרון קשור בתוך האטום), שהם כבדים בהרבה והאלקטרון כמעט לא מזיז אותם ולכן לא מעביר להם אנרגיה.
אלקטרודינמיקה קוונטית[עריכת קוד מקור | עריכה]
למשל, מסבירה כח חשמלי זעיר בין 2 מולכים לא-טעונים.
תורת היחסות הכללית[עריכת קוד מקור | עריכה]
בעיה דו-גופית[עריכת קוד מקור | עריכה]
- במכניקה קלאסית, ללא כוחות נוספים, קיים פתרון אנליטי פשוט: בעיית קפלר.
- הפתרון הקלאסי לא מסביר, למשל, את מידת הנקיפה של פלנטות, למשל "כוכב חמה", שהנקיפה שלו מוסברת באופן קלאסי עד כדי שגיאה של 43 שניות-קשת (מתוך 532) למאה שנים. לאחר שאורבן לה-ורייה וניוקום מדדו בדיוק, אלברט איינשטיין היה הראשון להראות שהיחסות הכללית מסבירה.
- אם מניחים שאחד הגופים מסיבי בהרבה מהשני - יש פתרון אנליטי יחסותי: פתרון שוורצשילד.
- ללא הנחה זו (קיים במקרה של מערכות בינאריות של כוכב נייטרונים או חור שחור), אין פתרון אנליטי; ניתן לפתור ע"י:
- איטרציות של פוסט-ניוטונית (אנ')
- בשיטות נומריות מודרניות; בהינתן מספיק כוח חישוב (החל מ-1990), הפתרון מדויק יותר מפוסט-ניוטון. בעיית קפלר לגופים מסיביים מתמזגים - קשה מאד לפתרון, בגלל הפתרון ב-4 ממדים, אבל כיום אפשרית (ושימשה לחישוב תגלית גלי הכבידה).
- (Two-body problem in general relativity)
חשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]
מודל דרודה (Drude, 1900): נושאי זרם חשמלי: גז אלקטרונים; ההתנגדות בגלל פיזור מגרעיני האטומים של המוליך; האמת:
- נושאים: האלקטרונים הבלתי-מקומיים (Delocalized או bloch), שדרושה מעט אנרגיה כדי להביאם להולכה.
- התנגדות: בגלל (1) פגמים בשריג (חוסר באטום או אילוח); (2) גלי-שריג, (גלים אקוסטיים, פונוןים), תנודות הרמוניות קטנות בין האטומים.
זאת הסיבה שחלק מהבדדים שקופים - הפוטונים אינם נבלעים, כי דרושה אנרגיה רבה כדי לעקור אלקטרון ממצב קשור, ולבלוע פוטון.
- מכניקת הקוונטים ומיתוסים של בי"ס תיכון, סרטון באתר יוטיוב
המחשות[עריכת קוד מקור | עריכה]
- מכניקה קוונטית, סרטון באתר יוטיוב; מכניקה קוונטית
- מכניקה קוונטית (ניסוי 2 הסדקים, עם חתול), סרטון באתר יוטיוב
טנזור[עריכת קוד מקור | עריכה]
- tensors for beginners, סרטון באתר יוטיוב
- טנזורים באופן אינטואיטיבי, סרטון באתר יוטיוב
הערות[עריכת קוד מקור | עריכה]
- ^ 1 2 כך במקרה הכללי, שהשדה נמדד בנקודה כלשהי, ולאו-דוקא על אחד הצירים הקרטזיאניים. אך גם במקרה פרטי שהנקודה על ציר ה-x: אמנם, , וזה נכון לכל x, ולכן: ; אבל גם בצירים האחרים: אמנם, , אבל (כי ).
- ^ 1 2 3 זרם כולל I דרך משטח, ובמקרה הכללי: צפיפות הזרם J בנקודה, גורם לכך שהרוטור של שדה מגנטי בנקודה (=מידת ה"סיבוב" של השדה המגנטי בנקודה), שווה לצפיפות הזרם בנקודה (בהתאמה לכך, שהאינטגרל המשטחי על הרוטור של וקטור כלשהו, שווה לאינטגרל הקוי על הוקטור לאורך שפת המשטח - זהו משפט סטוקס#חוק סטוקס.)
- ^ יש תאוריות שמניחות קיומם של מונופולים - זה יוצר סימטריה יפה במשוואות מקסוול עצמן! - ? הם מסבירים את הקוונטיזציה של מטען חשמלי. בתורת המיתרים הם הכרחיים.
- ^
- ^