Надо Знать

добавить знаний



Электромагнитное взаимодействие



Particles by fundamental interactions.svg

Электромагнитное взаимодействие - наиболее исследованная из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Основными уравнениями электромагнетизма является уравнения Максвелла. Распространяется в форме электромагнитного поля, состоящего из векторных безмассовыми квантов - фотонов. Благодаря нулевой массе фотонов взаимодействие дальнего действия; примером электромагнитного взаимодействия на большом расстоянии является прием излучения галактик и квазаров на расстояниях в миллиарды световых лет. В электромагнитном взаимодействии участвуют кварки и лептоны, имеющих электрический заряд.

Электромагнитным взаимодействием обусловлено большинство явлений в мире, который окружает человека. Электромагнитное взаимодействие отвечает за привлечение электронов в ядер атомов, а потому отвечает за формирование атомов и молекул и за их свойства. Проявлением электромагнитного взаимодействия также свет - поток фотонов.

Электромагнитное взаимодействие вторая по интенсивности с фундаментальных взаимодействий и слабее только от сильного взаимодействия, которая, однако имеет короткий радиус действия. Она намного сильнее слабое взаимодействие и гравитацию. Особенностью электромагнитного взаимодействия однако является то, что электрические заряды бывают двух знаков, а потому могут как притягиваться, в случае разноименных зарядов, так и отталкиваться, в случае одноименных зарядов. Этим электромагнитное взаимодействие существенно отличается от гравитационной, которая всегда имеет характер притяжения. Благодаря существованию двух типов зарядов большинство тел в окружающем мире электрически нейтральные, в то время как большие массы создают большие силы тяжести, несмотря на слабость гравитационного взаимодействия.

На современном этапе развития физики существует теория электро-слабого взаимодействия, которая объединяет эти два типа взаимодействия в единое поле.

В классических (неквантових) рамках электромагнитное взаимодействие описывается законами классической электродинамики.


Основные формулы классической электродинамики

На проводник с током I длиной \ Delta \ vec {l} , Помещенный в магнитное поле с индукцией \ Vec {B} , Действует сила Ампера :

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

На заряженную частицу с зарядом q , Движущегося со скоростью \ Vec {V} в магнитном поле индукцией \ Vec {B} , Действует сила Лоренца :

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

История теории

Сначала электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы Джеймса Максвелла "Трактат по электричеству и магнетизму", в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекты, вытекающие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:

  1. Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноименные заряды притягиваются, одноименные - отталкиваются.
  2. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) притягивают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда существуют парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного и наоборот.
  3. Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг проводника, направлено (по или против часовой стрелки) в зависимости от направления тока.
  4. Ток индуцируется в петле проводника при их относительном приближении или отдаленные, направление тока зависит от направления этих перемещений.

Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, Ганс Кристиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он выбирал материалы, то заметил, что стрелка компаса отклоняется от северного магнитного полюса, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включается и выключается. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля выходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяется в пространстве свет и тепло, и наблюдения указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.

На момент открытия, Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался описать явление в математических выкладках. Однако, через три месяца, он стал проводить более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал их результаты, доказав, что электрический ток при протекании через проводник создает магнитное поле. В системе СГС единицу электромагнитной индукции ( Е) назвали в честь вклада Эрстеда в исследование электромагнетизма.

Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию электродинамики мировым научным сообществом. 1820 годом также датируются работы Франсуа Араго, который заметил, что проводник, по которому течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки. Он же впервые намагнитив железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медной проволоки, по которому проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив ее в катушку и разрядив через катушку лейденскую банка. Независимо от Араго намагничивания стали и железа током было открыто Гемфри Дэви.

Первые количественные определения воздействия тока на магнит так же относятся к 1820 году и принадлежат французским ученым Жану-Батисту Био и Феликсу Савара [1]. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика Андре-Мари Ампера, который представил закономерность взаимодействия электромагнитной и проводника с током в математической форме.

Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции энергии. Единство, было выявлено Майклом Фарадеем, дополнена Джеймсом Максвеллом, а также уточнена Оливер Хевисайд и Генрихом Герцем, является одной из ключевых достижений XIX века в математической физике. Дальновидным следствием этого открытия стало понимание природы света. Свет и другие электромагнитные волны принимают форму квантованных самопоширюючихся колебательных явлений электромагнитного поля, названных фотонами. Различные частоты колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от радиоволн на низких частотах, до видимого света на средних и гамма-лучей на высоких частотах.

Эрстед не был единственным, кто заметил связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джованни Доменико Романьози, итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но, фактически, в исследованиях Романьози не применялся гальванический элемент и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в основном проигнорирован сообществом того времени.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам