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 ρ_e 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 ρ_e(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