В физике электромагнетизм — это взаимодействие, происходящее между частицами с электрическим зарядом посредством электромагнитных полей . Электромагнитная сила — одна из четырех фундаментальных сил природы. Это доминирующая сила во взаимодействиях атомов и молекул . Электромагнетизм можно рассматривать как комбинацию электростатики и магнетизма , двух разных, но тесно переплетенных явлений. Электромагнитные силы возникают между любыми двумя заряженными частицами. Электрические силы вызывают притяжение между частицами с противоположными зарядами и отталкивание между частицами с одинаковым зарядом, а магнетизм — это взаимодействие, возникающее между заряженными частицами, находящимися в относительном движении. Эти две силы описываются в терминах электромагнитных полей. Макроскопические заряженные объекты описываются с помощью закона Кулона для электричества, закона силы Ампера для магнетизма; сила Лоренца описывает микроскопические заряженные частицы.
Электромагнитная сила ответственна за многие химические и физические явления, наблюдаемые в повседневной жизни. Электростатическое притяжение между атомными ядрами и их электронами удерживает атомы вместе. Электрические силы также позволяют различным атомам объединяться в молекулы, включая макромолекулы, такие как белки , которые составляют основу жизни . Между тем, магнитные взаимодействия между магнитными моментами спина и углового момента электронов также играют роль в химической реакционной способности; такие связи изучаются в спиновой химии . Электромагнетизм также играет решающую роль в современных технологиях : производстве, преобразовании и распределении электрической энергии; производство и обнаружение света, тепла и звука; оптоволоконная и беспроводная связь; датчики; расчет; электролиз; гальваника; механические двигатели и приводы.
Электромагнетизм изучается с древних времен. Многие древние цивилизации, в том числе греки и майя, создали обширные теории, объясняющие молнию , статическое электричество и притяжение между намагниченными кусками железной руды . Однако только в конце 18 века учёные начали разрабатывать математическую основу для понимания природы электромагнитных взаимодействий. В XVIII и XIX веках выдающиеся ученые и математики, такие как Кулон , Гаусс и Фарадей, разработали одноименные законы, которые помогли объяснить формирование и взаимодействие электромагнитных полей. Этот процесс завершился в 1860-х годах открытием уравнений Максвелла — набора из четырех уравнений в частных производных , которые дают полное описание классических электромагнитных полей. Помимо обеспечения прочной математической основы для взаимосвязей между электричеством и магнетизмом, которые ученые исследовали на протяжении веков, уравнения Максвелла также предсказывали существование самоподдерживающихся электромагнитных волн . Максвелл постулировал, что такие волны составляют видимый свет , что позже подтвердилось. Действительно, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны были определены как электромагнитное излучение, отличающееся только диапазоном частот.
В современную эпоху ученые продолжают совершенствовать теорему электромагнетизма, чтобы принять во внимание эффекты современной физики , включая квантовую механику и теорию относительности . Действительно, теоретические последствия электромагнетизма, в частности установление скорости света на основе свойств «среды» распространения ( проницаемости и диэлектрической проницаемости ), помогли вдохновить Эйнштейна на создание специальной теории относительности в 1905 году. Тем временем область квантовой электродинамики ( КЭД) модифицировал уравнения Максвелла, чтобы они соответствовали квантовой природе материи. В КЭД изменения в электромагнитном поле выражаются через дискретные возбуждения, частицы, известные как фотоны , кванты света.
Исследования электромагнитных явлений начались еще 5000 лет назад. Есть свидетельства того, что древние цивилизации Китая , [1] майя , [2] и, возможно, даже египетские цивилизации знали, что природный магнитный минерал магнетит обладает привлекательными свойствами, и многие использовали его в своем искусстве и архитектуре. [3] Древние люди также знали о молниях и статическом электричестве , хотя они понятия не имели о механизмах, лежащих в основе этих явлений. Около 600 г. до н.э. греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что янтарь может приобретать электрический заряд, если его протирать тканью, что позволяет ему брать в руки легкие предметы, например кусочки соломы . Фалес также экспериментировал со способностью магнитных пород притягивать друг друга и предположил, что это явление может быть связано с притягивающей силой янтаря, предвещая глубокие связи между электричеством и магнетизмом, которые будут открыты более 2000 лет спустя. Несмотря на все эти исследования, древние цивилизации не имели понимания математической основы электромагнетизма и часто анализировали его влияние через призму религии, а не науки (например, во многих культурах молния считалась творением богов). [4]
Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась с публикацией в 1873 году «Трактата об электричестве и магнетизме» Джеймса Клерка Максвелла [5] , в котором было показано, что взаимодействия положительных и отрицательных зарядов опосредуются одной силой. В результате этих взаимодействий возникают четыре основных эффекта, каждый из которых был четко продемонстрирован экспериментами:
В апреле 1820 года Ганс Кристиан Эрстед заметил, что электрический ток в проводе заставил двигаться ближайшую стрелку компаса. На момент открытия Эрстед не предложил какого-либо удовлетворительного объяснения этого явления и не пытался представить его в математических рамках. Однако три месяца спустя он начал более интенсивное расследование. [9] [10] Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда он течет по проводу. Единица магнитной индукции СГС ( эрстед ) названа в честь его вклада в область электромагнетизма. [11]
Его результаты привели к интенсивным исследованиям электродинамики во всем научном сообществе. Они повлияли на разработку французским физиком Андре-Мари Ампером единой математической формы для представления магнитных сил между проводниками с током. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции энергии.
Это объединение, которое наблюдал Майкл Фарадей , расширило Джеймс Клерк Максвелл и частично переформулировало Оливер Хевисайд и Генрих Герц , является одним из ключевых достижений математической физики XIX века . [12] Это имело далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы света . В отличие от того, что было предложено электромагнитной теорией того времени, свет и другие электромагнитные волны в настоящее время рассматриваются как принимающие форму квантованных , самораспространяющихся колебательных возмущений электромагнитного поля, называемых фотонами . Различные частоты колебаний порождают различные формы электромагнитного излучения : от радиоволн на самых низких частотах до видимого света на промежуточных частотах и гамма-лучей на самых высоких частотах.
Эрстед был не единственным человеком, исследовавшим взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джан Доменико Романьози , итальянский учёный-юрист, отклонил магнитную стрелку с помощью вольтовой сваи. Фактическая установка эксперимента не совсем ясна, а также то, протекал ли ток через иглу или нет. Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в значительной степени проигнорирован современным научным сообществом, поскольку Романьози, по-видимому, не принадлежал к этому сообществу. [13]
О более ранней (1735 г.) и часто игнорируемой связи между электричеством и магнетизмом сообщил доктор Куксон. [14] В отчете говорилось:
Торговец из Уэйкфилда в Йоркшире, сложив большое количество ножей и вилок в большой ящик... и поставив ящик в угол большой комнаты, внезапно разразился гром, молния и т. д. ...Хозяин выгрузил ящик на прилавок, где лежали гвозди, люди, поднявшие ножи, лежавшие на гвоздях, заметили, что ножи забрали гвозди. При этом все их подвергли испытанию, и выяснилось, что они делают то же самое, причем в такой степени, что берут в руки большие гвозди, упаковочные иглы и другие железные предметы значительного веса...
Э. Т. Уиттакер предположил в 1910 году, что именно это событие стало причиной того, что молнии «приписали способность намагничивать сталь; и, несомненно, именно это побудило Франклина в 1751 году попытаться намагнитить швейную иглу с помощью разряда лейденских банок». ." [15]
Электромагнитная сила является второй по силе из четырех известных фундаментальных сил . Он работает с бесконечным диапазоном. [16] Все остальные силы (например, трение , контактные силы) являются производными этих четырех фундаментальных сил и известны как нефундаментальные силы . [17] При высокой энергии слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие объединяются в одно электрослабое взаимодействие . [18]
Грубо говоря, все силы, участвующие во взаимодействиях между атомами , можно объяснить электромагнитной силой, действующей между электрически заряженными атомными ядрами и электронами атомов. Электромагнитные силы также объясняют, как эти частицы переносят импульс в своем движении. Сюда входят силы, которые мы испытываем, «толкая» или «притягивая» обычные материальные объекты, которые возникают в результате межмолекулярных сил , действующих между отдельными молекулами в нашем теле и молекулами в объектах. Электромагнитная сила также участвует во всех формах химических явлений .
Необходимая часть понимания внутриатомных и межмолекулярных сил — это эффективная сила, создаваемая импульсом движения электронов, так что, когда электроны движутся между взаимодействующими атомами, они несут с собой импульс. Поскольку совокупность электронов становится более ограниченной, их минимальный импульс обязательно увеличивается из-за принципа запрета Паули . Поведение материи на молекулярном уровне, включая ее плотность, определяется балансом между электромагнитной силой и силой, порождаемой обменом импульсом, переносимым самими электронами. [19]
В 1600 году Уильям Гилберт в своей книге «О магнете» предположил, что электричество и магнетизм, хотя оба способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются разными эффектами. [20] Моряки заметили, что удары молний могут нарушить работу стрелки компаса. Связь между молнией и электричеством не была подтверждена до тех пор, пока эксперименты, предложенные Бенджамином Франклином в 1752 году, не были проведены 10 мая 1752 года Томасом-Франсуа Далибаром из Франции с использованием железного стержня высотой 40 футов (12 м) вместо воздушного змея, и он успешно извлек электрические искры из облака. [21] [22]
Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между искусственным электрическим током и магнетизмом, был Джан Романьози , который в 1802 году заметил, что соединение провода с гальванической решеткой отклоняет ближайшую стрелку компаса . Однако этот эффект не стал широко известен до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент. [23] Работа Эрстеда вдохновила Ампера на проведение дальнейших экспериментов, которые в конечном итоге привели к возникновению новой области физики: электродинамики. Определив силовой закон взаимодействия между элементами электрического тока, Ампер поставил эту тему на прочную математическую основу. [24]
Теория электромагнетизма, известная как классический электромагнетизм , была разработана несколькими физиками в период между 1820 и 1873 годами, когда был опубликован трактат Джеймса Клерка Максвелла , который объединил предыдущие разработки в единую теорию, предполагая, что свет представляет собой электромагнитную волну, распространяющуюся в светоносном эфире . [25] В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается набором уравнений, известных как уравнения Максвелла , а электромагнитная сила определяется законом силы Лоренца . [26]
Одна из особенностей классического электромагнетизма состоит в том, что его трудно согласовать с классической механикой , но он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме — универсальная константа, зависящая только от электрической и магнитной проницаемостей свободного пространства . Это нарушает инвариантность Галилея , давний краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить две теории (электромагнетизма и классической механики) — предположить существование светоносного эфира , через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные усилия не смогли обнаружить присутствие эфира. После важных вкладов Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в 1905 году Альберт Эйнштейн решил проблему, введя специальную теорию относительности, которая заменила классическую кинематику новой теорией кинематики, совместимой с классическим электромагнетизмом. (Для получения дополнительной информации см. Историю специальной теории относительности .)
Кроме того, теория относительности предполагает, что в движущихся системах отсчета магнитное поле преобразуется в поле с ненулевой электрической составляющей и наоборот, движущееся электрическое поле трансформируется в ненулевую магнитную составляющую, тем самым убедительно показывая, что явления являются двумя сторонами та же монета. Отсюда и термин «электромагнетизм». (Для получения дополнительной информации см. Классический электромагнетизм и специальная теория относительности и Ковариантная формулировка классического электромагнетизма .)
Сегодня немногие проблемы электромагнетизма остаются нерешенными. К ним относятся: отсутствие магнитных монополей , противоречие Абрахама-Минковского и механизм, с помощью которого некоторые организмы могут чувствовать электрические и магнитные поля.
Уравнения Максвелла линейны в том смысле, что изменение источников (зарядов и токов) приводит к пропорциональному изменению полей. Нелинейная динамика может возникать, когда электромагнитные поля соединяются с материей, подчиняющейся нелинейным динамическим законам. [27] Это изучается, например, в предмете магнитогидродинамики , который сочетает в себе теорию Максвелла с уравнениями Навье-Стокса . [28] Другая отрасль электромагнетизма, занимающаяся нелинейностью, — это нелинейная оптика .
Вот список общих единиц, связанных с электромагнетизмом: [29]
В электромагнитной системе СГС электрический ток является фундаментальной величиной, определяемой законом Ампера , и принимает проницаемость как безразмерную величину (относительную проницаемость), значение которой в вакууме равно единице . [30] Как следствие, квадрат скорости света явно появляется в некоторых уравнениях, связывающих величины в этой системе.
Формулы физических законов электромагнетизма (такие как уравнения Максвелла ) необходимо корректировать в зависимости от того, какую систему единиц вы используете. Это связано с тем , что между электромагнитными единицами СИ и СГС нет однозначного соответствия , как в случае с механическими единицами. Кроме того, в CGS существует несколько возможных вариантов выбора электромагнитных единиц, что приводит к различным «подсистемам» единиц, включая гауссову , «ESU», «EMU» и Хевисайда-Лоренца . Среди этих вариантов гауссовы единицы сегодня являются наиболее распространенными, и фактически фраза «единицы СГС» часто используется для обозначения именно гауссовых единиц СГС . [32]
Изучение электромагнетизма лежит в основе конструкции электрических цепей и полупроводниковых приборов .
{{cite book}}: CS1 maint: others (link){{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)