Електромагнетизъм

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Серия статии на тема

Класическа електродинамика

CoulombsLaw.svg
Електричество Магнетизъм Електромагнетизъм

Електромагнетизмът е дял от физиката, който се занимава със силите, възникващи между електрически заредени частици. Тези сили днес се обясняват с електромагнитното поле: това е полето, обхващащо цялото пространство около частици, притежаващи електричен заряд, което упражнява сила върху тях и на свой ред се влияе от присъствието и движението на други такива частици. Електромагнитната сила е една от четирите фундаментални взаимодействия в природата, останалите три са силното взаимодействие, слабото взаимодействие и гравитацията.

Теорията на електромагнетизма в рамките на класическата елетродинамика разглежда редица електромагнитни явления, обособени в различни раздели - електростатика, магнитостатика, електродинамика и други. Теоретичните аспекти на електромагнетизма водят до развитието на специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн през 1905 година.

Електромагнетизмът се проявява едновременно като електрически и магнитни полета. Двете полета са просто различни аспекти на електромагнетизма, и следователно са неразривно свързани. Така например променящото се електрично поле създава магнитно поле и обратно, промяната на магнитното поле генерира електрично поле. Този ефект се нарича електромагнитна индукция и е в основата на работата за електрически генератори, мотори и трансформатори.

От гледна точка на квантовата теория на полето електромагнитното взаимодействие представлява квантова обмяна на фотони между заредените частици. В квантовата електродинамика електромагнитните взаимодействия между заредени частици могат да бъде изчислени, като се използват диаграми на Файнман, в които частици, наречени виртуални фотони, биват обменяни между заредени частици. В електромагнитното взаимодействие участват и някои фермиони - кварки, електрони, мюони и тау-лептони, както и заредени калибровъчни W± бозони.

За разлика от силното и слабото взаимодействие, които действат на малки разстояния, електромагните сили по подобие на гравитационните намаляват на втора степен в зависимост от разстоянието между заредените частици. В сравнение обаче с гравитационните сили, електромагнитното взаимодействие е много по-силно и причината поради която не се проявява в космически мащаби е електрически неутралната материя, т.е. във всяка област на Вселената количеството на положителните и отрицателни заряди е изравнена.

Електрично и магнитно поле[редактиране | edit source]

Често е удобно да разбираме електромагнитното поле като съставено от две отделни полета: електрично и магнитно. Около всяка електрически заредена частица съществува ненулево електрично поле, което поражда електрични сили; тези сили са в основата на статичното електричество и пораждат движението на електрични заряди (електричен ток) по проводници. Магнитното поле, от друга страна, се причинява от движението на електрични заряди и поражда магнитни сили, които в магнитостатиката свързваме с магнитите.

Поради взаимосвързаността на електричното и магнитно полета е логично да ги разглеждаме като един единствен обект — електромагнитното поле. Това обединяване, завършено от Джеймс Клерк Максуел, е едно от триумфалните постижения на физиката през 19 век. То има последствия с голямо значение, едно от които е изясняването на природата на светлината: както се оказва, тя всъщност представлява разпространяващо се електромагнитно излъчване или електромагнитна вълна. Различните честоти на трептене на вълната съответстват на различните части на електромагнитния спектър — от радиовълните с ниски честота, през видимата светлина със средни честоти, до гама-лъчите с високи честоти.

Електромагнитна сила[редактиране | edit source]

Електромагнитната сила е една от четирите фундаментални сили в природата и влияе на електрически заредени частици (лептони и кварки). Другите три фундаментални сили са силното взаимодействие (на него се дължи съществуването на атомните ядра), слабото взаимодействие (свързано с някои форми на радиокативния разпад) и гравитацията. Всички останали сили в природата са свързани с тези четири.

Оказва се, че електромагнитната сила е в основата на практически всички явления, с които се сблъскваме в ежедневието си, с изключение на гравитацията. Грубо казано, всички сили на взаимодействие между атомите могат да бъдат сведени до влиянието на електромагнитната сила върху електрически заредените протони и електрони, от които те са съставени. Това включва както силите, които упражняваме при "бутане" и "дърпане" на обикновени материални обекти, основаващи се на междумолекулното взаимодействие между молекулите на телата ни и тези на обектите, така и всички химични явления, които се дължат на взаимодействия между електронните обвивки на атомите.

Калибровъчният бозон (частица носител) на електромагнитното взаимодействие е фотонът (символ γ), а съвременната теория на електромагнитната сила е свързана с виртуалните фотони.

Произход на електромагнитната теория[редактиране | edit source]

В своя труд De Magnete (1600) Уилям Гилбърт предполага, че макар електричеството и магнетизмът да причиняват привличане и отблъскване между обектите по сходен начин, те представляват различни явления. Моряците отдавна били забелязали, че при гръмотевични бури стрелката на компаса "полудява", но връзката между електричеството и светкавиците била потвърдена едва с експериментите на Бенджамин Франклин през 1752. Един от първите откриватели на връзката между произведеното от човека електричество и магнетизма бил италианецът Романьози, който през 1802 забелязал, че при свързването на проводник към електрическа батерия стрелката на намиращия се наблизо компас се отклонява. Ефектът обаче не бил широко известен до 1820, когато Оерстед провел подобен експеримент. Работата на Оерстед на свой ред повлияла на Ампер, който създал математическата основа на теорията на електромагнетизма.

Теорията на електромагнетизма, известна като класическа електродинамика, била разработена през 19-ти век от различни физици, като кулминацията представлява работата на английския физик Джеймс Клерк Максуел, който обединил всички теоретични постижения до момента в стройна единна теория и открил електромагнитната природа на светлината. В класическата електродинамика електромагнитното поле се описва от система от четири уравнения, известни като Уравнения на Максуел, а електромагнитната сила се подчинява на закон на Лоренц.

Една от особеностите на класическата теория на електромагнетизма, е че тя трудно се съгласува с класическата механика, но е в добро съгласие със специалната теория на относителността. Според уравненията на Максуел скоростта на светлината е универсална константа, зависеща единствено от диелектричната проницаемост и магнитната проницаемост на вакуума. Това е в противоречие с принципа на Галилей, че физическите закони са еднакви във всички инерциални координатни системи — основен принцип на класическата механика. Една възможност двете теории да бъдат съгласувани е предположението за съществуване на "световен етер", през който се разпространява светлината. Опитите за експериментално потвърждение на етера (сред тях най-забележителен е опитът на Майкелсън) обаче са неуспешни. През1905 Алберт Айнщайн решава противоречието, като предлага своята специална теория на относителността, в която класическата кинематика се замества от нова, която е в съгласие с класическия електромагнетизъм. Освен това специалната теория на относителността показва, че в движещи се координатни системи магнитното поле се трансформира в поле, което притежава различна от нула електрическа компонента, както и обратно, доказвайки по този начин, че това са две страни на едно и също явления — от там е и изразът електромагнетизъм.

Проблеми пред класическия електромагнетизъм[редактиране | edit source]

Обаче в друга своя статия от същата година Айнщайн поставя под въпрос самите основи на класическия електромагнетизъм. Теорията му за фотоелектричния ефект (за която получава Нобелова награда за физика) съдържа твърдението, че светлината може да съществува като дискретни порции, подобни на частици (кванти), които по-късно стават известни като фотони. Тази негова теория на фотоефекта увеличава напредъка, постигнат при решаването на проблема за "ултравиолетовата катастрофа" от Макс Планк през 1900. В своята работа Планк показва, че горещите обекти имат електромагнитно излъчване и то е на дискретни пакети, което води до извода, че от т. нар. абсолютно черно тяло се излъчва точно определено количество енергия - Закон на Планк. Тези два резултата изпадат в директно противоречие с класическия възглед за светлината като непрекъсната вълна. Теориите на Планк и Айнщайн пряко предшествуват създаването на квантовата механика, формулирана през 1925, която се наложило да бъде последвана и от квантова теория на електромагнетизма. Тази теория, завършена през 40-те години на 20 век, е известна като квантова електродинамика и е една от най-точните физически теории.

Основни формули на класическата електродинамика[редактиране | edit source]

На проводник с дължина \Delta \vec{l} и протичащ през него ток I при приложено върху него магнитно поле с индукция \vec{B}, действа сила на Ампер:

\vec{F}_A = I \cdot [\Delta \vec{l} \times \vec{B}]

На заредена частица със заряд q, движеща се със скорост \vec{V} в магнитно поле с индукция \vec{B}, действа сила на Лоренц:

\vec{F}_L = q \cdot [\vec{V} \times \vec{B}]


Мерни единици за електричество и магнетизъм от SI[редактиране | edit source]

Мярка за Име Означение Изразяване чрез основни единици
Електрически заряд, количество електричество кулон C A.s
Електрически потенциал, потенциална разлика, електродвижещо напрежение волт V J/C = kg m²/A s3
Електрическо съпротивление ом Ω V/A = kg.m²/s3.A²
Специфично електрическо съпротивление ом метър Ω·m kg·m3·s−3·A−2
Електрически капацитет фарад F A².s4/kg.m²
Електрическа проводимост сименс S Ω -1 = kg-1 m-2 s3
Електрически ток ампер A A = W/V = C/s
Електрическа мощност ват W V·A = kg·m2·s−3
Диелектрична проницаемост фарад на метър F/m kg−1·m−3·A2·s4
Специфична електропроводимост сименс на метър S/m kg−1·m−3·s3·A2
Магнитен поток вебер Wb kg m²/s² A
Магнитна индукция тесла T Wb/m² = kg/s² A
Индуктивност хенри H kg m²/s² A²
Интензитет на магнитното поле ампер на метър A/m A·m−1
Магнитна проницаемост хенри на метър H/m kg·m·s−2·A−2

Вижте също[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

Външни препратки[редактиране | edit source]