В физике электромагнетизм — это взаимодействие, которое происходит 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 , которые являются отдельными, но тесно переплетенными явлениями. Электромагнитные силы возникают между любыми двумя заряженными частицами. Электрические силы вызывают притяжение между частицами с противоположными зарядами и отталкивание между частицами с одинаковым зарядом, в то время как магнетизм — это взаимодействие, которое происходит между заряженными частицами, находящимися в относительном движении. Эти две силы описываются в терминах электромагнитных полей. Макроскопические заряженные объекты описываются в терминах закона Кулона для электричества и 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 спином и угловым моментом магнитных моментов электронов также играют роль в химической реактивности; такие отношения изучаются в спиновой химии . Электромагнетизм также играет несколько важных ролей в современных технологиях : производство, преобразование и распределение электроэнергии; производство и обнаружение света, тепла и звука; волоконно-оптическая и беспроводная связь; датчики; вычисления; электролиз; гальванопокрытие; а также механические двигатели и приводы.
Электромагнетизм изучался с древних времен. Многие древние цивилизации, включая греков и майя , создали широкомасштабные теории для объяснения молнии , статического электричества и притяжения между намагниченными кусками железной руды . Однако только в конце 18 века ученые начали разрабатывать математическую основу для понимания природы электромагнитных взаимодействий. В 18 и 19 веках выдающиеся ученые и математики, такие как Кулон , Гаусс и Фарадей, разработали одноименные законы, которые помогли объяснить формирование и взаимодействие электромагнитных полей. Этот процесс достиг кульминации в 1860-х годах с открытием уравнений Максвелла , набора из четырех частных дифференциальных уравнений , которые обеспечивают полное описание классических электромагнитных полей. Уравнения Максвелла обеспечили надежную математическую основу для взаимосвязей между электричеством и магнетизмом, которые ученые исследовали на протяжении столетий, и предсказали существование самоподдерживающихся электромагнитных волн . Максвелл постулировал, что такие волны составляют видимый свет , что позже было доказано. Было установлено, что гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны являются электромагнитным излучением, отличающимся только диапазоном частот.
В современную эпоху ученые продолжают совершенствовать теорию электромагнетизма, чтобы учесть эффекты современной физики , включая квантовую механику и теорию относительности . Теоретические следствия электромагнетизма, в частности, требование, чтобы наблюдения оставались согласованными при просмотре из различных движущихся систем отсчета ( релятивистский электромагнетизм ) и установление скорости света на основе свойств среды распространения ( проницаемости и диэлектрической проницаемости ), помогли вдохновить Эйнштейна на создание специальной теории относительности в 1905 году. Квантовая электродинамика (КЭД) модифицирует уравнения Максвелла, чтобы они соответствовали квантовой природе материи. В КЭД изменения в электромагнитном поле выражаются в терминах дискретных возбуждений, частиц, известных как фотоны , квантов света.
Исследование электромагнитных явлений началось около 5000 лет назад. Есть свидетельства того, что древние китайские , [1] майянские , [2] [3] и, возможно, даже египетские цивилизации знали, что природный магнитный минерал магнетит обладает привлекательными свойствами, и многие включали его в свое искусство и архитектуру. [4] Древние люди также знали о молнии и статическом электричестве , хотя они не имели представления о механизмах, стоящих за этими явлениями. Греческий философ Фалес из Милета обнаружил около 600 г. до н. э., что янтарь может приобретать электрический заряд, если его натирать тканью, что позволяло ему притягивать легкие предметы, такие как кусочки соломы. Фалес также экспериментировал со способностью магнитных пород притягивать друг друга и выдвинул гипотезу, что это явление может быть связано с притягательной силой янтаря, предвещая глубокие связи между электричеством и магнетизмом, которые будут обнаружены более 2000 лет спустя. Несмотря на все эти исследования, древние цивилизации не имели представления о математической основе электромагнетизма и часто анализировали его воздействие через призму религии, а не науки (например, молния во многих культурах считалась творением богов). [5]
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 [6] , в котором было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов осуществляется одной силой. Существует четыре основных эффекта, возникающих в результате этих взаимодействий, все из которых были ясно продемонстрированы экспериментами:
В апреле 1820 года Ганс Христиан Эрстед заметил, что электрический ток в проводе заставил близлежащую стрелку компаса двигаться. На момент открытия Эрстед не предложил никакого удовлетворительного объяснения этого явления и не пытался представить его в математической форме. Однако три месяца спустя он начал более интенсивные исследования. [10] [11] Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, протекая по проводу. Единица измерения магнитной индукции ( эрстед ) в системе СГС названа в честь его вклада в область электромагнетизма. [12]
Его открытия привели к интенсивным исследованиям в научном сообществе в области электродинамики. Они повлияли на разработки французского физика Андре-Мари Ампера единой математической формы для представления магнитных сил между проводниками с током. Открытие Эрстеда также представляло собой важный шаг к единой концепции энергии.
Это объединение, которое наблюдал Майкл Фарадей , расширил Джеймс Клерк Максвелл и частично переформулировал Оливер Хевисайд и Генрих Герц , является одним из ключевых достижений математической физики 19-го века . [13] Оно имело далеко идущие последствия, одним из которых было 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, который исследовал связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джан Доменико Романьози , итальянский ученый-юрист, отклонил магнитную стрелку с помощью вольтова столба. Фактическая постановка эксперимента не совсем ясна, как и то, протекал ли ток по игле или нет. Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в значительной степени проигнорирован современным научным сообществом, потому что Романьози, по-видимому, не принадлежал к этому сообществу. [14]
Более ранняя (1735 г.) и часто игнорируемая связь между электричеством и магнетизмом была описана доктором Куксоном. [15] В отчете говорилось:
Торговец в Уэйкфилде в Йоркшире, сложив большое количество ножей и вилок в большой ящик... и поставив ящик в угол большой комнаты, внезапно раздался гром, молния и т. д. ... Хозяин высыпал содержимое ящика на прилавок, где лежали гвозди, и люди, которые взяли ножи, лежащие на гвоздях, заметили, что ножи поднимают гвозди. После этого все это число было испытано и обнаружено, что они делают то же самое, и что они поднимают большие гвозди, упаковочные иглы и другие железные предметы значительного веса...
В 1910 году Э. Т. Уиттекер предположил, что именно это событие стало причиной того, что молнии «приписывают способность намагничивать сталь; и, несомненно, именно это побудило Франклина в 1751 году попытаться намагнитить швейную иглу с помощью разряда лейденских банок». [16]
Электромагнитная сила является второй по силе из четырех известных фундаментальных сил и имеет неограниченный диапазон. [17] Все другие силы, известные как нефундаментальные силы . [18] (например, трение , контактные силы) являются производными от четырех фундаментальных сил. При высокой энергии слабая сила и электромагнитная сила объединяются в единое взаимодействие, называемое электрослабым взаимодействием . [19]
Большинство сил, участвующих во взаимодействиях между атомами , объясняются электромагнитными силами между электрически заряженными атомными ядрами и электронами . Электромагнитная сила также участвует во всех формах химических явлений .
Электромагнетизм объясняет, как материалы переносят импульс, несмотря на то, что состоят из отдельных частиц и пустого пространства. Силы, которые мы испытываем, когда «толкаем» или «тянем» обычные материальные объекты, возникают из-за межмолекулярных сил между отдельными молекулами в наших телах и в объектах.
Эффективные силы, генерируемые импульсом движения электронов, являются необходимой частью понимания атомных и межмолекулярных взаимодействий. Когда электроны движутся между взаимодействующими атомами, они переносят с собой импульс. По мере того, как совокупность электронов становится более ограниченной, их минимальный импульс обязательно увеличивается из-за принципа исключения Паули . Поведение материи в молекулярном масштабе, включая ее плотность, определяется балансом между электромагнитной силой и силой, генерируемой обменом импульсом, переносимым самими электронами. [20]
В 1600 году Уильям Гилберт в своем труде De Magnete предположил , что электричество и магнетизм, хотя оба способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются различными эффектами. [21] Моряки заметили, что удары молнии способны нарушать стрелку компаса. Связь между молнией и электричеством не была подтверждена до тех пор, пока предложенные Бенджамином Франклином эксперименты в 1752 году не были проведены 10 мая 1752 года Томасом-Франсуа Далибаром из Франции с использованием 40-футового (12-метрового) железного стержня вместо воздушного змея, и он успешно извлек электрические искры из облака. [22] [23]
Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между созданным человеком электрическим током и магнетизмом, был Джан Романьози , который в 1802 году заметил, что подключение провода к вольтовой батарее отклоняет близлежащую стрелку компаса . Однако этот эффект не стал широко известен до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент. [24] Работа Эрстеда повлияла на Ампера, побудив его провести дальнейшие эксперименты, которые в конечном итоге дали начало новой области физики: электродинамике. Определив закон силы для взаимодействия между элементами электрического тока, Ампер поставил эту тему на прочную математическую основу. [25]
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, предполагающую, что свет является электромагнитной волной, распространяющейся в светоносном эфире . [26] В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается набором уравнений, известных как уравнения Максвелла , а электромагнитная сила задается законом силы Лоренца . [27]
Одной из особенностей классического электромагнетизма является то, что его трудно согласовать с классической механикой , но он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме является универсальной константой, которая зависит только от электрической диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости свободного пространства . Это нарушает галилеевскую инвариантность , давний краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить две теории (электромагнетизм и классическую механику) — предположить существование светоносного эфира, через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные усилия не смогли обнаружить наличие эфира. После важных вкладов Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в 1905 году Альберт Эйнштейн решил проблему с введением специальной теории относительности, которая заменила классическую кинематику новой теорией кинематики, совместимой с классическим электромагнетизмом. (Для получения дополнительной информации см. История специальной теории относительности .)
Кроме того, теория относительности подразумевает, что в движущихся системах отсчета магнитное поле преобразуется в поле с ненулевой электрической составляющей и наоборот, движущееся электрическое поле преобразуется в ненулевую магнитную составляющую, тем самым твердо показывая, что явления являются двумя сторонами одной медали. Отсюда и термин «электромагнетизм». (Более подробную информацию см. в статьях Классический электромагнетизм и специальная теория относительности и Ковариантная формулировка классического электромагнетизма .)
Сегодня в электромагнетизме осталось мало нерешенных проблем. К ним относятся: отсутствие магнитных монополей , противоречие Абрахама–Минковского , расположение в пространстве энергии электромагнитного поля [28] и механизм, с помощью которого некоторые организмы могут ощущать 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 взаимодействуют с материей, которая следует нелинейным динамическим законам. [29] Это изучается, например, в предмете магнитогидродинамики , которая объединяет теорию Максвелла с уравнениями Навье-Стокса . [30] Другая ветвь электромагнетизма, имеющая дело с нелинейностью, — это нелинейная оптика .
Вот список общепринятых единиц, связанных с электромагнетизмом: [31]
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 . [32] Как следствие, квадрат скорости света явно появляется в некоторых уравнениях, связывающих величины в этой системе.
Формулы для физических законов электромагнетизма (такие как уравнения Максвелла ) необходимо корректировать в зависимости от используемой системы единиц. Это связано с тем, что между электромагнитными единицами в СИ и единицами в СГС нет однозначного соответствия , как в случае с механическими единицами. Кроме того, в СГС существует несколько правдоподобных вариантов электромагнитных единиц, что приводит к различным «подсистемам» единиц, включая гауссовские , «ESU», «EMU» и Хевисайда–Лоренца . Среди этих вариантов гауссовы единицы являются наиболее распространенными сегодня, и фактически фраза «единицы СГС» часто используется для обозначения именно гауссовых единиц СГС . [34]
Изучение электромагнетизма дает информацию о конструкции электрических цепей , магнитных цепей и полупроводниковых приборов .
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)