电动力学 — 电气工程背后的物理学
電機工程和動力學 – 如果這兩個名詞聽起來非常相似，這絕非巧合。電機工程和動力學都處理電荷、電流、電壓等問題。但兩者的差異何在？深入了解動力學對您的實際工作有何幫助？這些正是我們想在這篇博文中回答的問題。
電動力學，它是什麼？
您有沒有問過自己電荷是什麼、為什麼磁石會互相吸引或電場實際上是由什麼組成的？不幸的是，即使是動力學也無法解答這些問題。但是，動力學能夠做到的，就是描述電荷在電壓場中的行為，或是磁鐵互相吸引的行為。
電動力學是物理學中歷史最悠久、研究最深入的理論之一。它以基本的方式處理帶電粒子和電流的運動和行為。此外，它也描述了與電力密切相關的磁性。
如前所述，磁場和電壓（由電場引起）在電動力學中都扮演著重要的角色。這正是為什麼動力學屬於場理論的原因。現代物理學幾乎所有的理論都是場理論，而動力學也因此奠定了現代物理學的基礎。
電動力學的基本定律
就像每個物理理論一樣，電動力學也有一些定律。但如何找到這些自然規律呢？只有透過實驗才能找到。您必須仔細觀察自然界，並從這些觀察中得出定律。這也被稱為經驗主義。
正因如此，有些電動力學定律對您來說似乎非常熟悉。但也許您從未如此直接地感知過它們。電動力學一共有四個（廣義來說也有五個）基本定律：
- 高斯定律： 高斯定律說明每個電荷 (例如電子) 都會在自身周圍產生電場 (進而產生電壓)。最後，這也是相反電荷 (正電荷和負電荷) 互相吸引的原因。
- 磁場的高斯定律： 您有試過將磁鐵切成兩半來分開南北兩極嗎？事實上，高斯磁場定律指出這並不可行。將磁石切成兩半，就會得到兩塊磁石，兩塊磁石都有南北兩極。因此，與電荷不同的是，磁極並不存在斷開的情況。
- 感應定律： 如果您看著一塊快速移動的磁鐵，例如因為繞著本身旋轉，您會注意到以下情況： 磁鐵的磁場會在附近的導體產生電壓。
- 安培定律： 安培定律指出每一個電流，包括電纜中的電流，都會產生一個磁場。
高斯定律 (左上)、高斯磁定律 (右上)、感應定律 (左下)、安培定律 (右下)
雖然這些定律聽起來很簡單，但應用起來卻很困難。其基本等式難以求解，並會導致許多不同的現象。我們會在下一節詳細解釋。
與電機工程的關係
電動力學所產生的眾多現象令人著迷。舉例來說，極光的形狀、收發器產生的無線電波，甚至鏡子對光的反射，都可以（幾乎）完全用上述定律來描述。
電動力學的另一個應用是電子工程。例如，高斯定律描述了電壓是如何產生的，即電荷的分離（例如在電池或電容中）。這最終導致導體電纜中的電流。
另一方面，感應定律導致我們可以有效地產生電能。在大多數的發電廠中，都會有渦輪機使磁鐵快速旋轉。由於感應定律，此旋轉會產生電壓。電壓變壓器或一些測量裝置也是基於感應定律。
安培定律在電氣工程中也有應用。例如，它可用於使用電流鉗對交流和直流電流進行非接觸式測量。如前所述，每一個電流都會在電導體周圍產生一個磁場。此磁場可被量測，進而確定電流。
上述所有在電機工程中的應用都來自於電動力學的一小部分，即准靜態近似。此近似提供了有關緩慢變化電壓的說明，即使是 50 Hz / 60 Hz 的家用交流電也屬於此類。
離開這個准靜態體系，您將進入高頻技術領域。在這裡，所有的東西都是關於傳播電磁波的實際使用。這包括無線電以及微波輻射。
