bugorwiki.info
на главную

Электромагнетизм

Электромагнетизм - это раздел физики, включающий изучение электромагнитной силы , тип физического взаимодействия между электрически заряженными частицами. Электромагнитная сила обычно проявляет электромагнитные поля, такие как электрические поля, магнитные поля и свет, и является одним из четырех фундаментальных взаимодействий (обычно называемых силами) в природе. Другие три фундаментальных взаимодействия - сильное взаимодействие, слабое взаимодействие и гравитация. При высокой энергии слабая сила и электромагнитная сила объединяются в одну электрослабую силу.

Молния - это электростатический разряд, который распространяется между двумя заряженными областями.

Электромагнитные явления определяются в терминах электромагнитной силы, иногда называемой силой Лоренца, которая включает в себя как электричество, так и магнетизм как различные проявления одного и того же явления. Электромагнитная сила играет важную роль в определении внутренних свойств большинства объектов, встречающихся в повседневной жизни. Обычная материя принимает форму в результате межмолекулярных сил между отдельными атомами и молекулами в веществе и является проявлением электромагнитной силы. Электроны связаны электромагнитной силой с атомными ядрами, и их орбитальные формы и их влияние на соседние атомы с их электронами описываются квантовой механикой. Электромагнитная сила управляет всеми химическими процессами, которые возникают в результате взаимодействия между электронами соседних атомов.

Существует множество математических описаний электромагнитного поля. В классической электродинамике электрические поля описываются как электрический потенциал и электрический ток. В законе Фарадея магнитные поля связаны с электромагнитной индукцией и магнетизмом, а уравнения Максвелла описывают, как электрические и магнитные поля генерируются и изменяются друг другом, а также зарядами и токами.

Теоретические последствия электромагнетизма, в частности установление скорости света на основе свойств «среды» распространения (проницаемости и диэлектрической проницаемости), привели к созданию специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

История теории

Ганс Кристиан Эрстед.
Смотрите также: История электромагнитной теории

Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Однако эта точка зрения изменилась после публикации в 1873 году «Трактата об электричестве и магнетизме» Джеймса Клерка Максвелла, в котором показано, что взаимодействия положительных и отрицательных зарядов опосредованы одной силой. В результате этих взаимодействий есть четыре основных эффекта, все из которых были четко продемонстрированы экспериментами:

  1. Электрические заряды притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: в отличие от зарядов притягиваются, как отталкиваются.
  2. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) притягивают или отталкивают друг друга таким же образом, как положительные и отрицательные заряды, и всегда существуют в виде пар: каждый северный полюс привязан к южному полюсу.
  3. Электрический ток внутри провода создает соответствующее окружное магнитное поле снаружи провода. Его направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) зависит от направления тока в проводе.
  4. Ток индуцируется в петле провода, когда он перемещается к магнитному полю или от него, или магнит перемещается к нему или от него; направление тока зависит от направления движения.
Андре-Мари Ампер

Готовясь к вечерней лекции 21 апреля 1820 года, Ганс Кристиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он устанавливал свои материалы, он заметил, что стрелка компаса отклонилась от магнитного севера, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, был включен и выключен. Это отклонение убедило его в том, что магнитные поля излучают со всех сторон провода, несущего электрический ток, точно так же, как свет и тепло, и что это подтверждает прямую связь между электричеством и магнетизмом.

Майкл Фарадей

На момент открытия Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления и не попытался представить это явление в математической структуре. Однако через три месяца он начал более интенсивные расследования. Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, доказывающие, что электрический ток создает магнитное поле при его прохождении через провод. Блок магнитной индукции CGS (эрстед) назван в честь его вклада в область электромагнетизма.

Джеймс Клерк Максвелл

Его результаты привели к интенсивным исследованиям во всем научном сообществе в электродинамике. Они повлияли на разработку французским физиком Андре-Мари Ампера единой математической формы для представления магнитных сил между проводниками с током. Открытие Эрстеда также стало важным шагом к единой концепции энергии.

Это объединение, которое наблюдал Майкл Фарадей, расширенное Джеймсом Клерком Максвеллом и частично переформулированное Оливером Хевисайдом и Генрихом Герцем, является одним из ключевых достижений математической физики 19-го века. Это 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 квантовых, самораспространяющихся возмущающих колебаний электромагнитного поля, называемых фотонами. Различные частоты колебаний порождают различные формы электромагнитного излучения: от радиоволн на самых низких частотах, до видимого света на промежуточных частотах, до гамма-лучей на самых высоких частотах.

Эрстед был не единственным, кто исследовал связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году итальянский ученый-юрист Джан Доменико Романьози отклонил магнитную иглу, используя вольтовую стопку. Фактическая установка эксперимента не совсем ясна, поэтому, если ток проходил через иглу или нет. Сообщение об открытии было опубликовано в 1802 году в итальянской газете, но оно было в значительной степени упущено современным научным сообществом, потому что Романьози, по-видимому, не принадлежал к этому сообществу.

Доктор Куксон сообщил о более ранней (1735 г.) и часто игнорируемой связи между электричеством и магнетизмом. В сообщении говорилось: «Торговец в Уэйкфилде в Йоркшире, положив большое количество ножей и вилок в большую коробку ... и поместив коробку в угол большой комнаты, внезапно разразился громовой удар, молния и т. д. Владелец, опустевший ящик на стойке, где лежали какие-то гвозди, люди, которые взяли ножи, которые лежали на гвоздях, заметили, что ножи взяли гвозди. и обнаружил, что делает то же самое, и что, в такой степени, чтобы брать в руки большие гвозди, упаковочные иглы и другие железные вещи значительного веса ... »В 1910 году Э. Уиттакер предположил, что именно это событие было причиной молнии. быть «приписанным силе намагничивания стали; и это, несомненно, привело к тому, что Франклин в 1751 году попытался намагничить швейную иглу с помощью разряда лейденских банок».

Основные силы

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения.

Электромагнитная сила является одной из четырех известных фундаментальных сил. Другие фундаментальные силы:

  • слабая ядерная сила, которая связывает все известные частицы в Стандартной модели и вызывает определенные формы радиоактивного распада. (Однако в физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие представляет собой единое описание двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизма и слабого взаимодействия);
  • сильная ядерная сила, которая связывает кварки, чтобы сформировать нуклоны, и связывает нуклоны, чтобы сформировать ядра
  • гравитационная сила.

Все другие силы (например, трение, контактные силы) являются производными от этих четырех фундаментальных сил (включая импульс, который переносится движением частиц).

Электромагнитная сила ответственна практически за все явления, которые встречаются в повседневной жизни выше ядерного масштаба, за исключением гравитации. Грубо говоря, все силы, вовлеченные во взаимодействия между атомами, могут быть объяснены электромагнитной силой, действующей между электрически заряженными атомными ядрами и электронами атомов. Электромагнитные силы также объясняют, как эти частицы несут импульс своим движением. Это включает в себя силы, которые мы испытываем при «толкании» или «вытягивании» обычных материальных объектов, которые являются результатом межмолекулярных сил, действующих между отдельными молекулами в наших телах и молекулами в объектах. Электромагнитная сила также участвует во всех формах химических явлений.

Необходимая часть понимания внутриатомных и межмолекулярных сил - это эффективная сила, генерируемая импульсом движения электронов, так что, когда электроны движутся между взаимодействующими атомами, они несут импульс с ними. Поскольку набор электронов становится более ограниченным, их минимальный импульс обязательно увеличивается из-за принципа исключения Паули. Поведение вещества на молекулярном уровне, включая его плотность, определяется балансом между электромагнитной силой и силой, создаваемой обменом импульсом, переносимым самими электронами.

Классическая электродинамика

Основная статья: Классическая электродинамика

В 1600 году Уильям Гилберт в своем « Де Магнете» предположил , что электричество и магнетизм, хотя и способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, были различными эффектами. Моряки заметили, что удары молнии способны повредить стрелку компаса. Связь между молнией и электричеством не была подтверждена до предложенных экспериментов Бенджамина Франклина в 1752 году. Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между искусственным электрическим током и магнетизмом, был Романьоси, который в 1802 году заметил, что соединение провода через вольтовую кучу отклонил соседнюю стрелку компаса. Тем не менее, эффект не стал широко известен до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент. Работа Эрстеда повлияла на Ампера в создании теории электромагнетизма, которая поставила предмет на математическую основу.

Теория электромагнетизма, известная как классический электромагнетизм, была разработана различными физиками в период между 1820 и 1873 годами, когда она завершилась публикацией трактата Джеймса Клерка Максвелла, который объединил предшествующие разработки в единую теорию и открыл электромагнитную природу света. В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается набором уравнений, известных как уравнения Максвелла, а электромагнитная сила задается законом силы Лоренца.

Одна из особенностей классического электромагнетизма заключается в том, что его трудно примирить с классической механикой, но он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме является универсальной постоянной, которая зависит только от электрической проницаемости и магнитной проницаемости свободного пространства. Это нарушает галилееву инвариантность, давний краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить две теории (электромагнетизм и классическая механика) - предположить существование светоносного эфира, через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные усилия не смогли обнаружить присутствие эфира. После значительного вклада 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 предполагает, что в движущихся системах отсчета магнитное поле преобразуется в поле с ненулевым электрическим компонентом и, наоборот, движущееся электрическое поле преобразуется в ненулевой магнитный компонент, таким образом твердо 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.)

Распространение на нелинейные явления

Магнитное пересоединение в солнечной плазме вызывает солнечные вспышки, сложное магнитогидродинамическое явление.

Уравнения Максвелла являются линейными в том смысле, что изменение источников (зарядов и токов) приводит к пропорциональному изменению полей. Нелинейная динамика может возникать, когда электромагнитные поля соединяются с веществом, что следует нелинейным динамическим законам Это изучается, например, в области магнитной гидродинамики, которая объединяет теорию Максвелла с уравнениями Навье – Стокса.

Количество и единицы

Смотрите также: Список физических величин и Список уравнений электромагнетизма.

Электромагнитные блоки являются частью системы электрических блоков, основанной, главным образом, на магнитных свойствах электрических токов, причем основной единицей СИ является ампера. Единицами являются:

  • ампер (электрический ток)
  • кулон (электрический заряд)
  • Фарад (емкость)
  • Генри (индуктивность)
  • Ом (сопротивление)
  • сименс (проводимость)
  • Тесла (плотность магнитного потока)
  • вольт (электрический потенциал)
  • ватт (мощность)
  • Вебер (магнитный поток)

В электромагнитной системе CGS электрический ток является фундаментальной величиной, определенной по закону Ампера, и воспринимает проницаемость как безразмерную величину (относительную проницаемость), значение которой в вакууме равно единице. Как следствие, квадрат скорости света явным образом появляется в некоторых уравнениях, соотносящих величины в этой системе.

СИ электромагнетизм единиц
  • v
  • T
  • е
Условное обозначение Наименование количества Название объекта Условное обозначение Базовые единицы
Q электрический заряд кулон С A⋅s
я электрический ток ампер A (= W / V = ​​C / s)
J плотность электрического тока Ампер на квадратный метр А / м2 A⋅m-2
U, V Д, Д ф; Е разность потенциалов; электродвижущая сила вольт В J / C = kg⋅m2⋅s − 3⋅A − 1
R ; Z ; Икс электрическое сопротивление; сопротивление; реактивное сопротивление ом Ω V / A = kg⋅m2⋅s − 3⋅A − 2
ρ удельное сопротивление омметр Ω⋅m kg⋅m3⋅s-3⋅A-2
п электроэнергия ватт W V⋅A = кг⋅m2⋅s − 3
С емкость фарада F C / V = ​​кг − 1⋅м − 2⋅A2⋅s4
Φ E электрический поток вольтметр V⋅m kg⋅m3⋅s-3⋅A-1
Е напряженность электрического поля вольт на метр В / м N / C = kg⋅m⋅A − 1⋅s − 3
D электрическое поле смещения кулон на квадратный метр С / м2 A⋅s⋅m-2
ε диэлектрическая проницаемость фарад на метр F / м кг-1⋅m-3⋅A2⋅s4
χ е электрическая восприимчивость (Безразмерный) 1 1
G ; Y ; В проводимость; впуск; реактивная проводимость Сименс S Ω − 1 = кг − 1⋅m − 2⋅s3⋅A2
κ , γ , σ проводимость сименс на метр / М кг-1⋅m-3⋅s3⋅A2
В плотность магнитного потока, магнитная индукция тесла T Wb / m2 = kg⋅s − 2⋅A − 1 = N⋅A − 1⋅m − 1
Φ , Φ M, Φ B магнитный поток вб Wb V⋅s = kg⋅m2⋅s − 2⋅A − 1
ЧАС напряженность магнитного поля Ампер на метр А / м A⋅m-1
Л , М индуктивность Генри ЧАС Wb / A = V⋅s / A = кг⋅m2⋅s − 2⋅A − 2
μ проницаемость Генри за метр Н / м kg⋅m⋅s-2⋅A-2
χ магнитная восприимчивость (Безразмерный) 1 1

Формулы для физических законов электромагнетизма (такие как уравнения Максвелла) необходимо корректировать в зависимости от того, какую систему единиц вы используете. Это связано с тем, что не существует однозначного соответствия между электромагнитными единицами в СИ и единицами в CGS, как в случае механических единиц. Кроме того, в CGS существует несколько правдоподобных вариантов выбора электромагнитных единиц, что приводит к различным «подсистемам» единиц, включая гауссову, «ESU», «EMU» и Heaviside – Lorentz. Среди этих вариантов гауссовские единицы являются наиболее распространенными сегодня, и фактически фраза "единицы CGS" часто используется, чтобы относиться конкретно к единицам CGS-Гаусса.


просмотров: 126