Кіріспе

Зарядталған бөлшектердің арасындағы негізгі өзара әрекеттесу – физикада электр заряды бар бөлшектер арасында электромагниттік өріс арқылы болатын өзара әрекеттесу. Электромагниттік күш – табиғаттың төрт негізгі күшінің бірі. Ол атомдар мен молекулалардың өзара әрекеттесуіндегі басым күш болып табылады. Электромагнетизмді электростатика мен магнетизмнің бірігіп кеткен түрі деп қарастыруға болады, олар ерекше, бірақ тығыз байланысты құбылыстар. Электромагниттік күштер кез келген екі зарядталған бөлшек арасында пайда болады. Электр күштері қарама-қарсы зарядтары бар бөлшектер арасында тартылыс, ал бірдей зарядтары бар бөлшектер арасында итергіш күш тудырады, ал магнетизм – салыстырмалы қозғалыстағы зарядталған бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесу. Бұл екі күш электромагниттік өрістер арқылы сипатталады. Макроскопиялық зарядталған денелер электр үшін Кулон заңы және магнетизм үшін Ампер күш заңы бойынша сипатталады; ал микроскопиялық зарядталған бөлшектерді Лоренц күші сипаттайды. Электромагниттік күш күнделікті өмірде байқалатын көптеген химиялық және физикалық құбылыстардың себебі болып табылады. Атом ядролары мен олардың электрондары арасындағы электростатикалық тартылыс атомдарды бірге ұстайды. Электр күштері әртүрлі атомдардың молекулаларға, соның ішінде тіршіліктің негізін құрайтын макромолекулаларға (ақуыздар сияқты) қосылуына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, спин мен бұрыштық импульстің магниттік моменттері арасындағы магниттік өзара әрекеттесулер химиялық реакциялық қабілеттілікте де маңызды рөл атқарады; мұндай байланыстар спин химиясында зерттеледі. Электромагнетизм қазіргі заманғы технологияда да маңызды рөл атқарады: электр энергиясын өндіру, түрлендіру және тарату; жарық, жылу және дыбыс өндіру және анықтау; талшықты-оптикалық және сымсыз байланыс; сенсорлар; есептеу; электролиз; электрожабын; механикалық қозғалтқыштар мен атқарушы механизмдер. Электромагнетизм ежелгі заманнан бері зерттеле келеді. Көне өркениеттердің көптегені, соның ішінде гректер мен майялар, найзағай, статикалық электр және магниттелген темір кенінің тартылысын түсіндіру үшін кең ауқымды теориялар жасады. Алайда, ғалымдар тек 18 ғасырдың соңында ғана электромагниттік өзара әрекеттесудің табиғатын түсіну үшін математикалық негізді жасай бастады. 18 және 19 ғасырларда Кулон, Гаусс және Фарадей сияқты көрнекті ғалымдар мен математиктер электромагниттік өрістердің қалыптасуын және өзара әрекеттесуін түсіндіруге көмектесетін заңдарды жасады. Бұл процесс 1860 жылдары Максвелл теңдеулерін ашумен аяқталды, бұл төрт бөлшек дифференциалдық теңдеулер жиынтығы классикалық электромагниттік өрістердің толық сипаттамасын береді. Максвелл теңдеулері ғалымдар ғасырлар бойы зерттеген электр және магнетизм арасындағы байланысқа дұрыс математикалық негіз берді және өзін-өзі сақтайтын электромагниттік толқындардың болуын болжады. Максвелл мұндай толқындар көзге көрінетін жарықты құрайды деп болжады, бұл кейінірек расталды. Гамма сәулелері, рентген сәулелері, ультракөк сәулелер, көзге көрінетін сәулелер, инфрақызыл сәулелер, микротолқындар және радио толқындары – бәрі де электромагниттік сәулелену болып табылады, олар тек жиіліктерімен ғана ерекшеленеді. Қазіргі заманда ғалымдар электромагнетизм теориясын кванттық механика және салыстырмалылық теориясы сияқты қазіргі физиканың әсерін ескеру үшін жетілдіруді жалғастыруда. Электромагнетизмнің теориялық салдары, әсіресе таралу ортасының (өткізгіштік және диэлектрлік тұрақтылық) қасиеттеріне негізделген жарық жылдамдығын анықтау, 1905 жылы Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясын жасауға ықпал етті. Сонымен қатар, кванттық электродинамика (КЭД) материяның кванттық табиғатына сәйкес келу үшін Максвелл теңдеулерін өзгертті. КЭД-де электромагниттік өрістің өзгеруі дискретті қоздырулар, фотондар деп аталатын бөлшектер, жарық кванттары арқылы сипатталады.

Ежелгі әлем

Электромагниттік құбылыстарды зерттеу шамамен 5000 жыл бұрын басталған. Ежелгі қытай, майя және мүмкін египеттік өркениеттердің табиғи магниттік минерал – магнетиттің тартымды қасиеттерін білгендігіне дәлелдер бар, және олар оны өнерлері мен сәулеттеріне жиі қолданған. Ежелгі адамдар сондай-ақ, найзағай мен статикалық электр тогын білген, бірақ осы құбылыстардың себептерін түсінбеген. Грек философы Талес Милеттік б.з.д. 600 жыл шамасында зәулімберді матамен үйкегенде электр зарядының пайда болатынын және оның сабан сияқты жеңіл заттарды тарта алатынын ашқан. Талес магниттік тастардың бір-бірін тарту қабілетін де зерттеген, және бұл құбылыс зәулімбердің тартымды күшімен байланысты болуы мүмкін деген гипотеза ұсынған, бұл электр мен магнетизм арасындағы терең байланыстың 2000 жылдан кейін ашылатындығын болжаған. Мұның бәріне қарамастан, ежелгі өркениеттер электромагнетизмнің математикалық негізін түсінбеген, және оның әсерін көбінесе ғылым емес, дін көзқарасынан талдаған (мысалы, найзағай көптеген мәдениеттерде құдайлардың жасауы деп есептелген).

19 ғасыр

Электр және магнетизм бастапқыда екі бөлек күш деп есептелген. Бұл көзқарас Джеймс Клерк Максвеллдің 1873 жылы жарық көрген «Электр және магнетизм туралы трактат» еңбегімен өзгерді, онда оң және теріс зарядтардың өзара әрекеттесуі бір күш арқылы жүзеге асырылатыны көрсетілді. Осы өзара әрекеттесулерден туындайтын төрт негізгі эффект бар, олардың барлығы тәжірибелер арқылы нақты дәлелденген: Электр зарядтары бір-біріне арақашықтығының квадратына кері пропорционалды күшпен әрекет етеді: қарама-қарсы зарядтар тартылады, бірдей зарядтар тебіледі. Магниттік полюстер (немесе жеке нүктелердегі поляризация күйлері) оң және теріс зарядтарға ұқсас тартылыс күшімен бір-бірін тартады немесе тебіледі және әрқашан жұп түрінде болады: әрбір солтүстік полюске оңтүстік полюс қосылады. Сым ішіндегі электр тогы сымның сыртында оған сәйкес келетін дөңгелек тәрізді магниттік өріс тудырады. Оның бағыты (сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы) сымдағы ток бағытына байланысты. Сымды магниттік өріске қарай немесе одан алыстату арқылы, немесе магнитті сымға қарай немесе одан алыстату арқылы ток туындайды; ток бағыты қозғалыс бағытына тәуелді. Ол жақында ғана өз зерттеулерін жариялап, электр тогы сым арқылы өтетін кезде магниттік өріс тудыратынын дәлелдеді. Магниттік индукцияның CGS бірлігі (эрстед) электромагнетизм саласына оның қосқан үлесі үшін оның құрметіне аталған. Оның бұл тұжырымдары электродинамика саласындағы ғылыми қауымдастықтың қарқынды зерттеулеріне әкелді. Олар француз физигі Андре Мари Ампердің ток өткізгіштер арасындағы магниттік күштерді бейнелеу үшін бір математикалық форманы жасауына ықпал етті. Орстедтің бұл ашылуы энергияның біртұтас түсінігіне маңызды қадам болды. Майкл Фарадей байқаған, Джеймс Клерк Максвелл кеңейткен және Оливер Хевисайд пен Генрих Герц ішінара қайта тұжырымдаған бұл біртүтастық 19 ғасыр математикалық физикасының маңызды жетістіктерінің бірі болып табылады. Оның кең ауқымды салдары болды, соның бірі – жарықтың табиғатын түсіну. Сол кездегі электромагниттік теория ұсынғаннан айырмашылығы, жарық және басқа электромагниттік толқындар қазіргі уақытта квантталған, өзін-өзі таратушы тербелісті электромагниттік өріс бұзылыстары түрінде қарастырылады, олар фотондар деп аталады. Тербелістің әртүрлі жиіліктері электромагниттік сәулеленудің әртүрлі түрлерін тудырады, ең төменгі жиіліктегі радио толқындардан бастап, орташа жиіліктегі көрінетін жарыққа дейін және ең жоғары жиіліктегі гамма сәулелеріне дейін. Орстед электр мен магнетизм арасындағы байланысты зерткен жалғыз адам емес. 1802 жылы итальяндық заңгер Джан Доменико Романьози Вольта тірегін пайдаланып магниттік инеге ықпал етті. Тәжірибе орнатылуы толыққанды анық емес, сондай-ақ ине арқылы ток өтті ме, жоқ па екені белгісіз. Бұл жаңалық 1802 жылы итальян газетінде жарияланды, бірақ қазіргі ғылыми қауымдастық көп назар бөлмеді, өйткені Романьози бұл қауымдастыққа жатқан сияқты емес. Электр мен магнетизм арасындағы байланысты бұрын (1735 ж.) және көбінесе назардан тыс қалған доктор Куксон хабарлады. Есепте былай делінген: «Йоркширдегі Уэйкфилдтегі бір саудагер көптеген пышақтар мен шанышқыларды үлкен қорапқа салып, қорапты үлкен бөлменің бұрышына қойғаннан кейін, кенеттен күркіреу және молния болды. Иесі қорапты үстелге босатып жатқанда, пышақтарды алған адамдар, пышақтардың тырнақтарды алып жатқанын байқады. Бұл туралы барлық саны сыналып, осылай істейтіні анықталды, тіпті үлкен тырнақтарды, иіндерді және басқа да салмағы зор темір заттарды алып жатты». Е. Т. Уиттакер 1910 жылы бұл оқиғаның «найзағайдың темірді магниттеу қабілетімен несиеленуіне себеп болғанын» айтты және «дәл осы себептен Франклин 1751 жылы Лейден банкаларының разряды арқылы тігін инесін магниттеуге тырысқан».

Негізгі күш

Электромагниттік күш – төрт негізгі күштің екіншісі болып табылады. Ол шексіз қашықтықта әрекет етеді. Барлық басқа күштер (мысалы, үйкеліс, жанасу күштері) осы төрт негізгі күштен туындайды және олар негізгі емес күштер деп аталады. Жоғары энергияда әлсіз күш және электромагниттік күш бірлесіп, электроәлсіз өзара әрекеттесу деп аталатын жалғыз өзара әрекеттесуге бірігеді. Көбінесе, атомдар арасындағы өзара әрекеттесуге қатысты барлық күштерді атомдардың электр зарядталған ядролары мен электрондары арасындағы электромагниттік күш арқылы түсіндіруге болады. Электромагниттік күштер осы бөлшектердің импульсті қалай тасымалдайтынын да түсіндіреді. Бұл біздің денеміздегі жеке молекулалар мен заттар арасындағы молекулалық күштердің нәтижесінде туындайтын, қарапайым материалдық заттарды "итеруге" немесе "тартуға" тырысқанда сезілетін күштерді де қамтиды. Электромагниттік күш химиялық құбылыстардың барлық түрлеріне қатысады. Атомдық және молекулалық күштерді түсіну үшін электрондардың қозғалысының импульсінен туындайтын тиімді күшті ескеру қажет, яғни электрондар өзара әрекеттесетін атомдар арасында қозғалғанда импульсті өздерімен бірге алып жүреді. Электрондардың жиынтығы қаншалықты шектелген болса, Паулидің тыйым салу принципіне сәйкес, олардың ең төменгі импульсі соншалықты артады. Молекулалық деңгейдегі материяның мінез-құлқы, оның тығыздығымен қоса, электромагниттік күш пен электрондардың өзара импульс алмасуынан туындайтын күш арасындағы тепе-теңдікпен анықталады.

Классикалық электродинамика

1600 жылы Уильям Гилберт өзінің «Магнит» еңбегінде электр және магнетизмнің, екеуі де объектілерді тартуға және итеруге қабілетті болғанымен, ерекше әсерлер екенін айтты. Теңізшілер шағын найзағайдың компастың көрсеткішін бұзатынын байқаған. 1752 жылы Бенджамин Франклин ұсынған тәжірибелер 1752 жылдың 10 мамырында француз Томас Франсуа Далибардтың желкеннің орнына 40 футтық (12 м) темір таяқты пайдаланып, бұлттан электр ұшқындарын сәтті алуымен расталды, осыған дейін найзағай мен электр арасындағы байланыс нақтыланбаған еді. Адам жасаған электр тогы мен магнетизм арасындағы байланысты алғаш рет ашқан және жариялаған ғалымдардың бірі – 1802 жылы вольта тізбегіне сым қосу арқылы жақын жердегі компастың көрсеткішін бұратынын байқаған Джан Романьози болды. Дегенмен, бұл әсер 1820 жылға дейін, Орстед осыған ұқсас тәжірибе жасағанға дейін кеңінен танылмады. Орстедтің жұмысы Амперге қосымша тәжірибелер жүргізуге ықпал етті, нәтижесінде физиканың жаңа саласы – электродинамика пайда болды. Электр тогы элементтері арасындағы өзара әрекеттесудің заңын анықтаған Ампер осы ғылымды берік математикалық негізге қойды. 1820 мен 1873 жылдар аралығында бірнеше физиктер электромагнетизм теориясын, классикалық электромагнетизмді жасады. Осы кезеңде Джеймс Клерк Максвеллдің трактаты жарияланды, ол бұрынғы жетістіктерді біртұтас теорияға біріктірді, соның нәтижесінде жарық – жарық эфирінде таралатын электромагниттік толқын екені анықталды. Классикалық электромагнетизмде электромагниттік өрістің мінез-құлқы Максвелл теңдеулері деп аталатын теңдеулер жиынтығы арқылы сипатталады, ал электромагниттік күш Лоренц күші заңымен беріледі. Классикалық электромагнетизмнің ерекшеліктерінің бірі – оны классикалық механикамен үйлестірудің қиындығы, бірақ ол арнайы салыстырмалылық теориясымен үйлесімді. Максвелл теңдеулеріне сәйкес, вакуумдағы жарық жылдамдығы – бос кеңістіктің диэлектрлік және магниттік өткізгіштігіне ғана тәуелді болатын әмбебап тұрақты шама. Бұл классикалық механиканың негізгі қағидасы болып табылатын Галилей инварианттылығын бұзады. Екі теорияны (электромагнетизм және классикалық механиканы) үйлестірудің бір жолы – жарық таралатын люминесценттік эфирдің бар екенін қабылдау. Алайда, кейіннен жүргізілген тәжірибелік зерттеулер эфирдің бар екенін анықтауға мүмкіндік бермеді. Хендрик Лоренц және Анри Пуанкаренің маңызды үлесінен кейін 1905 жылы Альберт Эйнштейн арнайы салыстырмалылық теориясын енгізу арқылы мәселені шешті, ол классикалық кинематиканы классикалық электромагнетизммен үйлесімді кинематиканың жаңа теориясымен алмастырды. (Толығырақ ақпарат алу үшін, арнайы салыстырмалылық теориясының тарихына қараңыз.) Сонымен қатар, салыстырмалылық теориясы қозғалатын есептеу жүйелерінде магнит өрісінің нөлдік емес электрлік компоненті бар өріске айналатынын және керісінше, қозғалатын электр өрісінің нөлдік емес магниттік компонентіне айналатынын көрсетеді, осылайша бұл құбылыстардың бір монетаның екі жағы екенін нақтылайды. Сондықтан «электромагнетизм» термині пайда болды. (Толығырақ ақпарат алу үшін, классикалық электромагнетизм және арнайы салыстырмалылық теориясы, сондай-ақ классикалық электромагнетизмнің ковариантты тұжырымына қараңыз.) Бүгінде электромагнетизмде шешілмеген қалған проблемалардың саны аз. Оларға: магниттік монопольдердің болмауы, Абрахам-Минковский дауы және кейбір организмдердің электр және магниттік өрістерді қалай сезінетінінің механизмі жатады.

Сызықтық емес құбылыстарға қатысты

Максвелл теңдеулері сызықтық, яғни көздердегі (зарядтар мен токтардағы) өзгеріс өрістерде пропорционалды өзгеріске алып келеді. Сызықтық емес динамика электромагниттік өрістер сызықтық емес динамикалық заңдарға бағынатын материямен әрекеттескенде туындауы мүмкін. Мысалы, бұл магнитогидродинамика пәнінде зерттеледі, ол Максвелл теориясын Навье-Стокс теңдеулерімен үйлестіреді. Электромагнетизмнің сызықтық емес құбылыстармен айналысатын тағы бір саласы – сызықтық емес оптика.

Қолданбалар

Электромагнетизмді зерттеу электр тізбектерінің, магниттік тізбектерінің және жартылай өткізгіштердің құрылымын түсіндіреді.