Электромагнитное взаимодействие: фундаментальные основы и применение.

Введение

Фундаментальное взаимодействие между заряженными частицами

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 различными, но тесно взаимосвязанными 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 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 взаимосвязи изучаются в спиновой химии. Электромагнетизм также играет несколько важных ролей в современных технологиях: производство, преобразование и распределение электрической энергии; производство и обнаружение света, тепла и звука; волоконно-оптическая и беспроводная связь; датчики; вычисления; электролиз; электропластика; и механические двигатели и приводы. Электромагнетизм изучается с древних времен. Многие древние цивилизации, включая греков и майя, создали широкие теории для объяснения молнии, статического электричества и притяжения между намагниченными кусками железной руды. Однако только в конце XVIII века ученые 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 образование и взаимодействие электромагнитных полей. Этот процесс достиг кульминации в 1860-х годах с открытием уравнений Максвелла, набора из четырех частных дифференциальных уравнений, которые дают полное описание классических электромагнитных полей. Уравнения Максвелла обеспечили надежную математическую основу для взаимосвязей между электричеством и магнетизмом, которые ученые исследовали на протяжении веков, и предсказали существование самоподдерживающихся электромагнитных волн. Максвелл предположил, что такие волны составляют видимый свет, что позже было доказано. Гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное излучение, микроволновые и радиоволны были определены как электромагнитное излучение, отличающееся только диапазоном частот. В современную эпоху ученые продолжают уточнять теорию электромагнетизма, чтобы учитывать эффекты современной физики, включая квантовую механику и теорию относительности. Теоретические последствия электромагнетизма, в частности, установление скорости света на основе свойств "среды" распространения (проницаемости и диэлектрической проницаемости), помогли вдохновить Эйнштейна на теорию специальной относительности в 1905 году. Между тем, область квантовой электродинамики (КЭД) модифицировала уравнения Максвелла, чтобы они соответствовали квантовой природе материи. В КЭД изменения электромагнитного поля выражаются в виде дискретных возбуждений, частиц, известных как фотоны, квантов света.

In physics, electromagnetism is an interaction that occurs between particles with electric charge via electromagnetic fields. The electromagnetic force is one of the four fundamental forces of nature. It is the dominant force in the interactions of atoms and molecules. Electromagnetism can be thought of as a combination of electrostatics and magnetism, which are distinct but closely intertwined phenomena. Electromagnetic forces occur between any two charged particles. Electric forces cause an attraction between particles with opposite charges and repulsion between particles with the same charge, while magnetism is an interaction that occurs between charged particles in relative motion. These two forces are described in terms of electromagnetic fields. Macroscopic charged objects are described in terms of Coulomb's law for electricity and Ampère's force law for magnetism; the Lorentz force describes microscopic charged particles. The electromagnetic force is responsible for many of the chemical and physical phenomena observed in daily life. The electrostatic attraction between atomic nuclei and their electrons holds atoms together. Electric forces also allow different atoms to combine into molecules, including the macromolecules such as proteins that form the basis of life. Meanwhile, magnetic interactions between the spin and angular momentum magnetic moments of electrons also play a role in chemical reactivity; such relationships are studied in spin chemistry. Electromagnetism also plays several crucial roles in modern technology: electrical energy production, transformation and distribution; light, heat, and sound production and detection; fiber optic and wireless communication; sensors; computation; electrolysis; electroplating; and mechanical motors and actuators. Electromagnetism has been studied since ancient times. Many ancient civilizations, including the Greeks and the Mayans, created wide ranging theories to explain lightning, static electricity, and the attraction between magnetized pieces of iron ore. However, it was not until the late 18th century that scientists began to develop a mathematical basis for understanding the nature of electromagnetic interactions. In the 18th and 19th centuries, prominent scientists and mathematicians such as Coulomb, Gauss and Faraday developed namesake laws which helped to explain the formation and interaction of electromagnetic fields. This process culminated in the 1860s with the discovery of Maxwell's equations, a set of four partial differential equations which provide a complete description of classical electromagnetic fields. Maxwell's equations provided a sound mathematical basis for the relationships between electricity and magnetism that scientists had been exploring for centuries, and predicted the existence of self sustaining electromagnetic waves. Maxwell postulated that such waves make up visible light, which was later shown to be true. Gamma rays, x rays, ultraviolet, visible, infrared radiation, microwaves and radio waves were all determined to be electromagnetic radiation differing only in their range of frequencies. In the modern era, scientists have continued to refine the theorem of electromagnetism to take into account the effects of modern physics, including quantum mechanics and relativity. The theoretical implications of electromagnetism, particularly the establishment of the speed of light based on properties of the "medium" of propagation (permeability and permittivity), helped inspire Einstein's theory of special relativity in 1905. Meanwhile, the field of quantum electrodynamics (QED) has modified Maxwell's equations to be consistent with the quantized nature of matter. In QED, the changes in the electromagnetic field is expressed in terms of discrete excitations, particles known as photons, the quanta of light.

Древний мир

Исследование электромагнитных явлений началось около 5000 лет назад. Есть свидетельства того, что древние китайские, майя и, возможно, даже египетские цивилизации знали, что природный магнитный минерал магнетит обладает способностью притягивать, и многие использовали его в своем искусстве и архитектуре. Древние люди также были знакомы с молнией и статическим электричеством, хотя и не понимали механизмов, лежащих в основе этих явлений. Греческий философ Фалес Милетский примерно в 600 году до н.э. обнаружил, что янтарь может приобретать электрический заряд при трении о ткань, что позволяло ему поднимать легкие предметы, такие как соломинки. Фалес также экспериментировал со способностью магнитных камней притягиваться друг к другу и предположил, что это явление может быть связано с притягательной силой янтаря, предвосхищая глубокую взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, которая была открыта более чем через 2000 лет. Несмотря на все эти исследования, древние цивилизации не имели представления о математических основах электромагнетизма и часто рассматривали его проявления через призму религии, а не науки (например, молнию во многих культурах считали творением богов).

19 век

Электричество и магнетизм первоначально считались двумя отдельными силами. Это представление изменилось с публикацией в 1873 году «Трактата об электричестве и магнетизме» Джеймса Клерка Максвелла, в котором было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов опосредовано одной силой. Существует четыре основных эффекта, возникающих в результате этих взаимодействий, все из которых были чётко продемонстрированы экспериментами: электрические заряды взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) притягивают или отталкивают друг друга аналогично положительным и отрицательным зарядам и всегда существуют парами: каждый северный полюс связан с южным полюсом. Электрический ток, протекающий по проводу, создаёт соответствующее циркуляционное магнитное поле вне провода. Его направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) зависит от направления тока в проводе. В контуре провода индуцируется ток, когда он движется к или от магнитного поля, или когда магнит движется к или от него; направление тока зависит от направления движения. Вскоре после этого он опубликовал свои результаты, доказав, что электрический ток, протекая по проводу, создаёт магнитное поле. Единица магнитной индукции в системе СГС (эрстед) названа в его честь за вклад в область электромагнетизма. Его открытия привели к интенсивным исследованиям в научном сообществе в области электродинамики. Они повлияли на разработку французским физиком Андре Мари Ампером единой математической формы для представления магнитных сил между проводниками с током. Открытие Эрстеда также стало важным шагом к единой концепции энергии. Это объединение, которое было замечено Майклом Фарадеем, расширено Джеймсом Клерком Максвеллом и частично переформулировано Оливером Хевисайдом и Генрихом Герцем, является одним из ключевых достижений математической физики XIX века. Оно имело далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы света. В отличие от представлений электромагнитной теории того времени, свет и другие электромагнитные волны в настоящее время рассматриваются как квантованные, самораспространяющиеся колебательные возмущения электромагнитного поля, называемые фотонами. Различные частоты колебаний порождают различные формы электромагнитного излучения, от радиоволн на самых низких частотах до видимого света на промежуточных частотах и до гамма-лучей на самых высоких частотах. Эрстед не был единственным, кто исследовал связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году итальянский юрист Джан Доменико Романьози отклонил магнитную стрелку с помощью вольтова столба. Точная установка эксперимента не совсем ясна, равно как и то, протекал ли ток непосредственно через стрелку. Описание открытия было опубликовано в 1802 году в итальянской газете, но оно было в значительной степени проигнорировано научным сообществом того времени, поскольку Романьози, по-видимому, не принадлежал к нему. О более ранней (1735 г.) и часто упускаемой из виду связи между электричеством и магнетизмом сообщал доктор Куксон. В отчёте говорилось: «Рабочий в Уэйкфилде, Йоркшир, сложил большое количество ножей и вилок в большую коробку и поставил её в угол большой комнаты, после чего произошла внезапная гроза, молния и т. д. Когда владелец высыпал содержимое коробки на прилавок, где лежали гвозди, те, кто брал ножи, лежавшие на гвоздях, заметили, что ножи притягивали гвозди. Затем весь набор был испытан, и было обнаружено, что он делает то же самое, причем в такой степени, что он мог поднимать большие гвозди, упаковочные иглы и другие железные предметы значительного веса». Э. Т. Уиттакер предположил в 1910 году, что именно это событие привело к тому, что молнию стали считать обладающей способностью намагничивать сталь, и, вероятно, именно это побудило Франклина в 1751 году попытаться намагнитить швейную иглу с помощью разряда лейденской банки.

Electricity and magnetism were originally considered to be two separate forces. This view changed with the publication of James Clerk Maxwell's 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism in which the interactions of positive and negative charges were shown to be mediated by one force. There are four main effects resulting from these interactions, all of which have been clearly demonstrated by experiments:
Electric charges or one another with a force inversely proportional to the square of the distance between them: unlike charges attract, like ones repel. Magnetic poles (or states of polarization at individual points) attract or repel one another in a manner similar to positive and negative charges and always exist as pairs: every north pole is yoked to a south pole. An electric current inside a wire creates a corresponding circumferential magnetic field outside the wire. Its direction (clockwise or counter clockwise) depends on the direction of the current in the wire. A current is induced in a loop of wire when it is moved toward or away from a magnetic field, or a magnet is moved towards or away from it; the direction of current depends on that of the movement. Soon thereafter he published his findings, proving that an electric current produces a magnetic field as it flows through a wire. The CGS unit of magnetic induction (oersted) is named in honor of his contributions to the field of electromagnetism. His findings resulted in intensive research throughout the scientific community in electrodynamics. They influenced French physicist André Marie Ampère's developments of a single mathematical form to represent the magnetic forces between current carrying conductors. Ørsted's discovery also represented a major step toward a unified concept of energy. This unification, which was observed by Michael Faraday, extended by James Clerk Maxwell, and partially reformulated by Oliver Heaviside and Heinrich Hertz, is one of the key accomplishments of 19th century mathematical physics. It has had far reaching consequences, one of which was the understanding of the nature of light. Unlike what was proposed by the electromagnetic theory of that time, light and other electromagnetic waves are at present seen as taking the form of quantized, self propagating oscillatory electromagnetic field disturbances called photons. Different frequencies of oscillation give rise to the different forms of electromagnetic radiation, from radio waves at the lowest frequencies, to visible light at intermediate frequencies, to gamma rays at the highest frequencies. Ørsted was not the only person to examine the relationship between electricity and magnetism. In 1802, Gian Domenico Romagnosi, an Italian legal scholar, deflected a magnetic needle using a Voltaic pile. The factual setup of the experiment is not completely clear, nor if current flowed across the needle or not. An account of the discovery was published in 1802 in an Italian newspaper, but it was largely overlooked by the contemporary scientific community, because Romagnosi seemingly did not belong to this community. An earlier (1735), and often neglected, connection between electricity and magnetism was reported by a Dr. Cookson. The account stated:A tradesman at Wakefield in Yorkshire, having put up a great number of knives and forks in a large box and having placed the box in the corner of a large room, there happened a sudden storm of thunder, lightning, &c. The owner emptying the box on a counter where some nails lay, the persons who took up the knives, that lay on the nails, observed that the knives took up the nails. On this the whole number was tried, and found to do the same, and that, to such a degree as to take up large nails, packing needles, and other iron things of considerable weight E. T. Whittaker suggested in 1910 that this particular event was responsible for lightning to be "credited with the power of magnetizing steel; and it was doubtless this which led Franklin in 1751 to attempt to magnetize a sewing needle by means of the discharge of Leyden jars."

Основная сила

Электромагнитная сила является второй по силе из четырех известных фундаментальных сил. Она действует на бесконечном расстоянии. Все остальные силы (например, трение, силы контакта) являются производными от этих четырех фундаментальных сил и называются нефундаментальными силами. При высоких энергиях слабая и электромагнитная силы объединяются в единое взаимодействие, называемое электрослабым взаимодействием. В основном, 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 посредством своего движения. Это включает в себя силы, которые мы ощущаем при "толкании" или "тяжении" обычных материальных объектов, являющиеся результатом межмолекулярных сил, действующих между отдельными молекулами в наших телах и молекулами в этих объектах. Электромагнитная сила также вовлечена во все формы химических явлений. Важной частью понимания внутриатомных и межмолекулярных сил является эффективная сила, возникающая из-за импульса движения электронов, таким образом, при перемещении электронов между взаимодействующими атомами они переносят импульс. По мере того, как группа электронов становится более локализованной, их минимальный импульс неизбежно возрастает в соответствии с принципом исключения Паули. Поведение вещества в молекулярном масштабе, включая его плотность, определяется балансом между электромагнитной силой и силой, возникающей в результате обмена импульсом, переносимым самими электронами.

Классическая электродинамика

В 1600 году Уильям Гилберт предположил в своем труде «De Magnete», что электричество и магнетизм, хотя оба способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются различными эффектами. Моряки заметили, что удары молнии могут отклонять магнитную стрелку 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 Далибардом из Франции с использованием железного стержня длиной 40 футов (12 м) вместо воздушного змея, и ему успешно удалось извлечь электрические искры из облака. Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между созданным человеком электрическим током и магнетизмом, был Джан Романьози, который в 1802 году заметил, что соединение провода через вольтов столб отклоняет находящуюся поблизости магнитную стрелку. Однако этот эффект не получил широкой известности до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент. Работа Эрстеда побудила Ампера к дальнейшим экспериментам, которые в конечном итоге привели к возникновению новой области физики: электродинамики. Определив закон силы для взаимодействия между элементами электрического тока, Ампер заложил прочный математический фундамент этой области. Теория электромагнетизма, известная как классический электромагнетизм, была разработана несколькими физиками в период с 1820 по 1873 год, когда был опубликован трактат Джеймса Клерка Максвелла, объединивший предыдущие достижения в единую теорию и предложивший, что свет является электромагнитной волной, распространяющейся в светоносном эфире. В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается набором уравнений, известных как уравнения Максвелла, а электромагнитная сила определяется законом силы Лоренца. Одной из особенностей классического электромагнетизма является сложность его согласования с классической механикой, однако он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме является универсальной константой, зависящей только от электрической и магнитной проницаемости свободного пространства. Это противоречит принципу инвариантности Галилея, долгое время являвшемуся краеугольным камнем классической механики. Один из способов согласовать обе теории (электромагнетизм и классическую механику) — предположить существование светоносного эфира, через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные попытки не увенчались успехом в обнаружении эфира. После важных вкладов Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре, в 1905 году Альберт Эйнштейн решил эту проблему, представив 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 преобразуется в ненулевую магнитную составляющую, что убедительно демонстрирует, что эти явления — две стороны одной медали. Отсюда и термин «электромагнетизм». (Для получения дополнительной информации см. Классический электромагнетизм и специальную теорию относительности, а также ковариантное формулирование классического электромагнетизма.) Сегодня лишь немногие проблемы в электромагнетизме остаются нерешенными. К ним относятся: отсутствие магнитных монополей, спор Авраама — Минковского и механизм, с помощью которого некоторые организмы могут воспринимать электрические и магнитные поля.

In 1600, William Gilbert proposed, in his De Magnete, that electricity and magnetism, while both capable of causing attraction and repulsion of objects, were distinct effects. Mariners had noticed that lightning strikes had the ability to disturb a compass needle. The link between lightning and electricity was not confirmed until Benjamin Franklin's proposed experiments in 1752 were conducted on 10May 1752 by Thomas François Dalibard of France using a 40 feet (12 m) iron rod instead of a kite and he successfully extracted electrical sparks from a cloud. One of the first to discover and publish a link between human made electric current and magnetism was Gian Romagnosi, who in 1802 noticed that connecting a wire across a voltaic pile deflected a nearby compass needle. However, the effect did not become widely known until 1820, when Ørsted performed a similar experiment. Ørsted's work influenced Ampère to conduct further experiments, which eventually gave rise to a new area of physics: electrodynamics. By determining a force law for the interaction between elements of electric current, Ampère placed the subject on a solid mathematical foundation. A theory of electromagnetism, known as classical electromagnetism, was developed by several physicists during the period between 1820 and 1873, when James Clerk Maxwell's treatise was published, which unified previous developments into a single theory, proposing that light was an electromagnetic wave propagating in the luminiferous ether. In classical electromagnetism, the behavior of the electromagnetic field is described by a set of equations known as Maxwell's equations, and the electromagnetic force is given by the Lorentz force law. One of the peculiarities of classical electromagnetism is that it is difficult to reconcile with classical mechanics, but it is compatible with special relativity. According to Maxwell's equations, the speed of light in vacuum is a universal constant that is dependent only on the electrical permittivity and magnetic permeability of free space. This violates Galilean invariance, a long standing cornerstone of classical mechanics. One way to reconcile the two theories (electromagnetism and classical mechanics) is to assume the existence of a luminiferous aether through which the light propagates. However, subsequent experimental efforts failed to detect the presence of the aether. After important contributions of Hendrik Lorentz and Henri Poincaré, in 1905, Albert Einstein solved the problem with the introduction of special relativity, which replaced classical kinematics with a new theory of kinematics compatible with classical electromagnetism. (For more information, see History of special relativity.) In addition, relativity theory implies that in moving frames of reference, a magnetic field transforms to a field with a nonzero electric component and conversely, a moving electric field transforms to a nonzero magnetic component, thus firmly showing that the phenomena are two sides of the same coin. Hence the term "electromagnetism". (For more information, see Classical electromagnetism and special relativity and Covariant formulation of classical electromagnetism.) Today few problems in electromagnetism remain unsolved. These include: the lack of magnetic monopoles, Abraham–Minkowski controversy, and the mechanism by which some organisms can sense electric and magnetic fields.

Расширение на нелинейные явления

Уравнения Максвелла линейны, поскольку изменение источников (зарядов и токов) приводит к пропорциональному изменению полей. Нелинейная динамика может возникать, когда электромагнитные поля взаимодействуют с веществом, подчиняющимся нелинейным законам динамики. Это изучается, например, в магнитогидродинамике, которая объединяет теорию Максвелла с уравнениями Навье-Стокса. Еще одна область электромагнетизма, занимающаяся нелинейностью, — это нелинейная оптика.

Приложения

Изучение электромагнетизма лежит в основе конструирования электрических цепей, магнитных цепей и полупроводниковых приборов.