Elektromagnetism

För en mer tillgänglig och mindre teknisk introduktion till detta ämne, se Introduktion till elektromagnetism .

"Electromagnetic" omdirigerar här. Elektromagnetisk kan också syfta på användningen av en elektromagnet .

"Elektromagnetisk kraft" omdirigerar här. För kraften som utövas på partiklar av elektromagnetiska fält, se Lorentz kraft .

Elektromagnetiska interaktioner är ansvariga för de glödande filamenten i denna plasmaglob

Inom fysiken är elektromagnetism en interaktion som sker mellan partiklar med elektrisk laddning via elektromagnetiska fält . Den elektromagnetiska kraften är en av naturens fyra grundläggande krafter. Det är den dominerande kraften i växelverkan mellan atomer och molekyler . Elektromagnetism kan ses som en kombination av elektrostatik och magnetism , två distinkta men nära sammanflätade fenomen. Elektromagnetiska krafter uppstår mellan vilka två laddade partiklar som helst, vilket orsakar en attraktion mellan partiklar med motsatta laddningar och repulsion mellan partiklar med samma laddning, medan magnetism är en interaktion som uteslutande sker mellan laddade partiklar i relativ rörelse. Dessa två effekter kombineras för att skapa elektromagnetiska fält i närheten av laddningspartiklar, som kan accelerera andra laddade partiklar via Lorentz-kraften . Vid hög energi förenas den svaga kraften och den elektromagnetiska kraften som en enda elektrosvag kraft .

Den elektromagnetiska kraften är ansvarig för många av de kemiska och fysiska fenomen som observeras i det dagliga livet. Den elektrostatiska attraktionen mellan atomkärnor och deras elektroner håller samman atomer . Elektriska krafter tillåter också olika atomer att kombineras till molekyler , inklusive makromolekyler som proteiner som utgör grunden för livet . Samtidigt spelar magnetiska växelverkan mellan elektronernas spinn och rörelsemängdsmagnetiska moment också en roll i kemisk reaktivitet; sådana samband studeras inom spinnkemi . Elektromagnetism spelar också en avgörande roll i modern teknik : produktion av elektrisk energi, transformation och distribution, ljus-, värme- och ljudproduktion och detektering, fiberoptisk och trådlös kommunikation, sensorer, beräkningar, elektrolys, galvanisering och mekaniska motorer och ställdon.

Elektromagnetism har studerats sedan urminnes tider. Många forntida civilisationer, inklusive grekerna och mayafolket skapade omfattande teorier för att förklara blixtar , statisk elektricitet och attraktionen mellan magnetiserade bitar av järnmalm . Det var dock inte förrän i slutet av 1700-talet som forskare började utveckla en matematisk grund för att förstå naturen hos elektromagnetiska interaktioner. På 1700- och 1800-talen utvecklade framstående vetenskapsmän och matematiker som Coulomb , Gauss och Faraday lagar med namn som hjälpte till att förklara bildandet och interaktionen av elektromagnetiska fält. Denna process kulminerade på 1860-talet med upptäckten av Maxwells ekvationer , en uppsättning av fyra partiella differentialekvationer som ger en fullständig beskrivning av klassiska elektromagnetiska fält. Förutom att ge en sund matematisk grund för förhållandet mellan elektricitet och magnetism som forskare hade utforskat i århundraden, förutspådde Maxwells ekvationer också förekomsten av självförsörjande elektromagnetiska vågor . Maxwell postulerade att sådana vågor utgör synligt ljus , vilket senare visade sig vara sant. Faktum är att gammastrålar, röntgenstrålar, ultraviolett, synlig, infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor alla fastställdes vara elektromagnetisk strålning som bara skilde sig i deras frekvensområde.

I den moderna eran har forskare fortsatt att förfina teoremet om elektromagnetism för att ta hänsyn till effekterna av modern fysik , inklusive kvantmekanik och relativitetsteori . Faktum är att de teoretiska implikationerna av elektromagnetism, särskilt fastställandet av ljusets hastighet baserat på egenskaperna hos "mediet" för utbredning ( permeabilitet och permittivitet ), hjälpte till att inspirera Einsteins speciella relativitetsteori 1905. Samtidigt har kvantelektrodynamikens område ( QED) har modifierat Maxwells ekvationer för att överensstämma med materiens kvantiserade natur. I QED uttrycks det elektromagnetiska fältet i termer av diskreta partiklar som kallas fotoner , som också är den fysiska kvantiteten av ljus. Idag finns det många problem inom elektromagnetism som förblir olösta, såsom förekomsten av magnetiska monopoler och mekanismen genom vilken vissa organismer kan känna av elektriska och magnetiska fält.

Teorins historia

Se även: Elektromagnetisk teoris historia

Omslag till A Treatise on Electricity and Magnetism

Ursprungligen ansågs elektricitet och magnetism vara två separata krafter. Denna uppfattning förändrades med publiceringen av James Clerk Maxwells 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism där interaktionen mellan positiva och negativa laddningar visades förmedlas av en kraft. Det finns fyra huvudeffekter som härrör från dessa interaktioner, som alla tydligt har demonstrerats genom experiment:

1. Elektriska laddningar attraherar eller stöter bort varandra med en kraft omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem: till skillnad från laddningar attraherar likadana.
2. Magnetiska poler (eller polariseringstillstånd vid individuella punkter) attraherar eller stöter bort varandra på ett sätt som liknar positiva och negativa laddningar och existerar alltid som par: varje nordpol är förbunden med en sydpol.
3. En elektrisk ström inuti en tråd skapar ett motsvarande periferiskt magnetfält utanför tråden. Dess riktning (medurs eller moturs) beror på riktningen av strömmen i tråden.
4. En ström induceras i en trådslinga när den förs mot eller bort från ett magnetfält, eller en magnet förs mot eller bort från det; strömriktningen beror på rörelsens riktning.

I april 1820 observerade Hans Christian Ørsted att en elektrisk ström i en tråd fick en närliggande kompassnål att röra sig. Vid tidpunkten för upptäckten föreslog Ørsted ingen tillfredsställande förklaring av fenomenet, och han försökte inte heller representera fenomenet i en matematisk ram. Men tre månader senare påbörjade han mer intensiva utredningar. Strax därefter publicerade han sina upptäckter och bevisade att en elektrisk ström producerar ett magnetiskt fält när den strömmar genom en tråd. CGS - enheten för magnetisk induktion ( oersted ) är uppkallad efter hans bidrag till området elektromagnetism.

Hans fynd resulterade i intensiv forskning inom elektrodynamik inom hela vetenskapssamfundet. De påverkade den franska fysikern André-Marie Ampères utveckling av en enda matematisk form för att representera de magnetiska krafterna mellan strömförande ledare. Ørsteds upptäckt representerade också ett stort steg mot ett enhetligt energibegrepp.

Denna förening, som observerades av Michael Faraday , utökad av James Clerk Maxwell , och delvis omformulerad av Oliver Heaviside och Heinrich Hertz , är en av de viktigaste prestationerna i 1800-talets matematiska fysik . Det har fått långtgående konsekvenser, en av dem var förståelsen av ljusets natur . Till skillnad från vad som föreslogs av den tidens elektromagnetiska teori, ses ljus och andra elektromagnetiska vågor för närvarande ta formen av kvantiserade , självutbredningsstörningar av oscillerande elektromagnetiska fält som kallas fotoner . Olika oscillationsfrekvenser ger upphov till olika former av elektromagnetisk strålning , från radiovågor vid de lägsta frekvenserna, till synligt ljus vid mellanfrekvenser, till gammastrålar vid de högsta frekvenserna.

Ørsted var inte den enda personen som undersökte sambandet mellan elektricitet och magnetism. År 1802 Gian Domenico Romagnosi , en italiensk juridisk forskare, bort en magnetisk nål med hjälp av en voltaisk hög. Experimentets faktiska upplägg är inte helt klart, inte heller om ström flödade över nålen eller inte. En redogörelse för upptäckten publicerades 1802 i en italiensk tidning, men den förbises till stor del av det samtida vetenskapssamfundet, eftersom Romagnosi till synes inte tillhörde detta samfund.

En tidigare (1735), och ofta försummad, koppling mellan elektricitet och magnetism rapporterades av en Dr Cookson. På kontot stod det:

En hantverkare i Wakefield i Yorkshire, efter att ha lagt upp ett stort antal knivar och gafflar i en stor låda ... och efter att ha placerat lådan i hörnet av ett stort rum, inträffade en plötslig storm av åska, blixtar, etc. ... Ägaren som tömde lådan på en disk där några spikar låg, de personer som tog upp knivarna, som låg på spikarna, observerade att knivarna tog upp spikarna. På detta prövades hela numret och befanns göra detsamma, och att det, till en sådan grad att det tog upp stora spikar, packnålar och andra järnsaker av betydande vikt ...

ET Whittaker föreslog 1910 att denna speciella händelse var ansvarig för att blixten skulle "krediteras med kraften hos magnetiserat stål; och det var utan tvekan detta som ledde till att Franklin 1751 försökte magnetisera en synål med hjälp av tömningen av Leyden-burkar ."

Grundläggande krafter

Representation av den elektriska fältvektorn för en våg av cirkulärt polariserad elektromagnetisk strålning.

Den elektromagnetiska kraften är en av de fyra kända grundkrafterna och den näst starkaste (efter den starka kärnkraften ), som verkar med oändligt räckvidd; De andra grundläggande krafterna är:

• den starka kärnkraften , som binder kvarkar för att bilda nukleoner , och binder nukleoner för att bilda kärnor ; den är den starkaste av de fyra kända fundamentala krafterna, men verkar endast på kort avstånd;
• den svaga kärnkraften , som binder till alla kända partiklar i standardmodellen och orsakar vissa former av radioaktivt sönderfall ; det är den näst svagaste av de fyra fundamentala krafterna och, precis som den starka kärnkraften, verkar den endast på kort avstånd (observera att inom partikelfysik är den elektrosvaga interaktionen den enhetliga beskrivningen av två av de fyra kända fundamentala interaktionerna i naturen: elektromagnetism och den svaga interaktionen);
• gravitationskraften är den enda av de fyra fundamentala krafterna som inte ingår i standardmodellen för partikelfysik ; medan den i särklass svagaste av de fyra fundamentala krafterna, verkar gravitationskraften, tillsammans med den elektromagnetiska kraften, på oändligt område.

Alla andra krafter (t.ex. friktion , kontaktkrafter) härleds från dessa fyra grundläggande krafter och de är kända som icke-fundamentala krafter .

Grovt sett kan alla krafter som är involverade i interaktioner mellan atomer förklaras av den elektromagnetiska kraft som verkar mellan de elektriskt laddade atomkärnorna och atomernas elektroner . Elektromagnetiska krafter förklarar också hur dessa partiklar bär fart genom sin rörelse. Detta inkluderar de krafter vi upplever när vi "skjuter" eller "drar" vanliga materiella föremål, som är resultatet av de intermolekylära krafter som verkar mellan de enskilda molekylerna i våra kroppar och de i föremålen. Den elektromagnetiska kraften är också involverad i alla former av kemiska fenomen .

En nödvändig del av att förstå de intraatomära och intermolekylära krafterna är den effektiva kraft som genereras av impulsen av elektronernas rörelse, så att när elektroner rör sig mellan interagerande atomer, bär de impuls med sig. När en samling av elektroner blir mer begränsad, ökar deras minsta momentum nödvändigtvis på grund av Pauli-uteslutningsprincipen . Materiens beteende på molekylär skala inklusive dess densitet bestäms av balansen mellan den elektromagnetiska kraften och kraften som genereras av utbytet av momentum som bärs av elektronerna själva.

Klassisk elektrodynamik

Huvudartikel: Klassisk elektrodynamik

  År 1600 föreslog William Gilbert , i sin De Magnete , att elektricitet och magnetism, även om de båda kan orsaka attraktion och avstötning av föremål, var distinkta effekter. Sjöfolk hade märkt att blixtnedslag hade förmågan att störa en kompassnål. Kopplingen mellan blixtnedslag och elektricitet bekräftades inte förrän Benjamin Franklins föreslagna experiment 1752 utfördes den 10 maj 1752 av Thomas-François Dalibard från Frankrike med en 40 fot hög (12 m) järnstav istället för en drake och han lyckades extrahera elektriska gnistor från ett moln.

En av de första som upptäckte och publicerade en koppling mellan konstgjord elektrisk ström och magnetism var Gian Romagnosi , som 1802 märkte att anslutning av en tråd över en voltaisk hög avböjde en närliggande kompassnål . Effekten blev dock inte allmänt känd förrän 1820, då Ørsted utförde ett liknande experiment. Ørsteds arbete påverkade Ampère att producera en teori om elektromagnetism som satte ämnet på en matematisk grund.

En teori om elektromagnetism, känd som klassisk elektromagnetism , utvecklades av olika fysiker under perioden mellan 1820 och 1873 när den kulminerade i publiceringen av en avhandling av James Clerk Maxwell , som förenade de föregående utvecklingarna till en enda teori och upptäckte den elektromagnetiska naturen av ljus. I klassisk elektromagnetism beskrivs beteendet hos det elektromagnetiska fältet av en uppsättning ekvationer som kallas Maxwells ekvationer , och den elektromagnetiska kraften ges av Lorentz kraftlagen .

En av särdragen med klassisk elektromagnetism är att det är svårt att förena med klassisk mekanik , men det är kompatibelt med speciell relativitetsteori. Enligt Maxwells ekvationer ljusets hastighet i vakuum en universell konstant som endast är beroende av den elektriska permittiviteten och den magnetiska permeabiliteten för det fria utrymmet . Detta bryter mot galileisk invarians , en långvarig hörnsten i klassisk mekanik. Ett sätt att förena de två teorierna (elektromagnetism och klassisk mekanik) är att anta att det finns en lysande eter genom vilken ljuset fortplantar sig. Emellertid misslyckades efterföljande experimentella försök att upptäcka närvaron av etern. Efter viktiga bidrag från Hendrik Lorentz och Henri Poincaré , 1905, löste Albert Einstein problemet med införandet av speciell relativitetsteori, som ersatte klassisk kinematik med en ny kinematikteori kompatibel med klassisk elektromagnetism. (För mer information, se Historia om speciell relativitet .)

Dessutom innebär relativitetsteorin att i rörliga referensramar omvandlas ett magnetiskt fält till ett fält med en elektrisk komponent som inte är noll och omvänt, ett rörligt elektriskt fält omvandlas till en magnetisk komponent som inte är noll, vilket med säkerhet visar att fenomenen är två sidor av samma mynt. Därav termen "elektromagnetism". (För mer information, se Klassisk elektromagnetism och speciell relativitetsteori och Kovariantformulering av klassisk elektromagnetism .)

Utvidgning till icke-linjära fenomen

Maxwell-ekvationerna är linjära, genom att en förändring i källorna (laddningarna och strömmarna) resulterar i en proportionell förändring av fälten. Icke-linjär dynamik kan uppstå när elektromagnetiska fält kopplas till materia som följer olinjära dynamiska lagar. Detta studeras till exempel i ämnet magnetohydrodynamik , som kombinerar Maxwells teori med Navier–Stokes ekvationer .

Kvantiteter och enheter

Se även: Lista över fysiska storheter och Lista över elektromagnetismekvationer

Här är en lista över vanliga enheter relaterade till elektromagnetism:

• ampere (elektrisk ström)
• coulomb (elektrisk laddning)
• farad (kapacitans)
• henry (induktans)
• ohm (motstånd)
• siemens (konduktans)
• tesla (magnetisk flödestäthet)
• volt (elektrisk potential)
• watt (effekt)
• weber (magnetiskt flöde)

I det elektromagnetiska CGS -systemet är elektrisk ström en fundamental storhet som definieras via Ampères lag och tar permeabiliteten som en dimensionslös storhet (relativ permeabilitet) vars värde i vakuum är enhet . Som en konsekvens förekommer kvadraten på ljusets hastighet explicit i några av ekvationerna som relaterar storheter i detta system.

SI elektromagnetism enheter
Symbol	Namn på kvantitet	Enhetens namn	Symbol	Basenheter
E	energi	joule	J = C⋅V	kg⋅m 2 ⋅s −2
F	elektrisk laddning	coulomb	C	A⋅s
jag	elektrisk ström	ampere	A = C/s = W/V	A
J	elektrisk strömtäthet	ampere per kvadratmeter	A/m 2	A⋅m −2
AV ; _ Δ φ ; ε	potentialskillnad ; spänning ; elektromotorisk kraft	volt	V = J/C	kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; X	elektriskt motstånd ; impedans ; reaktans	ohm	Ω = V/A	kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ	resistivitet	ohm mätare	Ω⋅m	kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P	elkraft	watt	W = V⋅A	kg⋅m 2 ⋅s −3
C	kapacitans	farad	F = C/V	kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E	elektriskt flöde	voltmätare _	V⋅m	kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E	elektrisk fältstyrka	volt per meter	V/m = N/C	kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D	elektriskt förskjutningsfält	coulomb per kvadratmeter	C/ m2	A⋅s⋅m −2
ε	permittivitet	farad per meter	F/m	kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e	elektrisk mottaglighet	( dimensionslös )	1	1
G ; Y ; B	konduktans ; inträde ; susceptans	siemens	S = Ω −1	kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ	ledningsförmåga	siemens per meter	S/m	kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B	magnetisk flödestäthet, magnetisk induktion	tesla	T = Wb/m 2 = N⋅A −1 ⋅m −1	kg⋅s −2 ⋅A −1
Φ , Φ M , Φ B	magnetiskt flöde	weber	Wb = V⋅s	kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H	magnetisk fältstyrka	ampere per meter	A/m	A⋅m −1
L , M	induktans	henry	H = Wb/A = V⋅s/A	kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μ	permeabilitet	henry per meter	H/m	kg⋅m ⋅s −2 ⋅A −2
χ	magnetisk känslighet	( dimensionslös )	1	1
µ	magnetiskt dipolmoment	ampere kvadratmeter	A⋅m 2 = J⋅T −1	A⋅m 2
σ	massmagnetisering _	ampere kvadratmeter per kilogram	A⋅m 2 /kg	A⋅m 2 ⋅kg −1

Formler för fysikaliska lagar för elektromagnetism (som Maxwells ekvationer ) måste justeras beroende på vilket system av enheter man använder. Detta beror på att det inte finns någon en-till-en-överensstämmelse mellan elektromagnetiska enheter i SI och de i CGS, vilket är fallet för mekaniska enheter. Vidare, inom CGS, finns det flera rimliga val av elektromagnetiska enheter, vilket leder till olika enhets-"undersystem", inklusive Gaussian , "ESU", "EMU" och Heaviside–Lorentz . Bland dessa val är Gaussiska enheter de vanligaste idag, och i själva verket används frasen "CGS-enheter" ofta för att specifikt referera till CGS-Gaussiska enheter .

Ansökningar

Studiet av elektromagnetism informerar elektriska kretsar och halvledarenheters konstruktion.

Se även

• Abraham–Lorentz styrka
• Aeromagnetiska undersökningar
• Beräkningselektromagnetik
• Dubbelslitsexperiment
• Elektromagnet
• Elektromagnetisk induktion
• Elektromagnetisk vågekvation
• Elektromagnetisk spridning
• Elektromekanik
• Geofysik
• Introduktion till elektromagnetism
• Magnetostatik
• Magnetokvastatiskt fält
• Optik
• Relativistisk elektromagnetism
• Wheeler–Feynman absorber teori

Vidare läsning

Webbkällor

• Nave, R. "Elektricitet och magnetism" . Hyperfysik . Georgia State University . Hämtad 2013-11-12 .
• Khutoryansky, E. "Elektromagnetism – Maxwells lagar" . YouTube . Hämtad 2014-12-28 .

Läroböcker

•   GAG Bennet (1974). Elektricitet och modern fysik (2:a uppl.). Edward Arnold (Storbritannien). ISBN 978-0-7131-2459-0 .
•   Browne, Michael (2008). Fysik för teknik och naturvetenskap (2:a uppl.). McGraw-Hill/Schaum. ISBN 978-0-07-161399-6 .
•   Dibner, Bern (2012). Oersted och upptäckten av elektromagnetism . Literary Licensing, LLC. ISBN 978-1-258-33555-7 .
•   Durney, Carl H.; Johnson, Curtis C. (1969). Introduktion till modern elektromagnetik . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9 .
•   Feynman, Richard P. (1970). Feynman-föreläsningarna om fysik Vol II . Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8 .
•   Fleisch, Daniel (2008). En studentguide till Maxwells ekvationer . Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1 .
•   IS Grant; WR Phillips; Manchester Physics (2008). Elektromagnetism (2:a uppl.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9 .
•   Griffiths, David J. (1998). Introduktion till elektrodynamik (3:e uppl.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0 .
•   Jackson, John D. (1998). Klassisk elektrodynamik (3:e upplagan). Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1 .
•   Moliton, André (2007). Grundläggande elektromagnetism och material . 430 sidor . New York: Springer-Verlag New York. ISBN 978-0-387-30284-3 .
•   Purcell, Edward M. (1985). Elektricitet och magnetism Berkeley, Fysikkurs Volym 2 (2:a upplagan) . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004908-6 .
•   Purcell, Edward M och Morin, David. (2013). Elektricitet och magnetism, 820p (3:e upplagan). Cambridge University Press, New York. ISBN 978-1-107-01402-2 . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
•   Rao, Nannapaneni N. (1994). Elements of engineering electromagnetics (4th ed.) . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-948746-0 .
•   Rothwell, Edward J.; Cloud, Michael J. (2001). Elektromagnetik . CRC Tryck. ISBN 978-0-8493-1397-4 .
•   Tipler, Paul (1998). Fysik för forskare och ingenjörer: Vol. 2: Ljus, elektricitet och magnetism (4:e upplagan). WH Freeman. ISBN 978-1-57259-492-0 .
•   Wangsness, Roald K.; Cloud, Michael J. (1986). Elektromagnetiska fält (2:a upplagan). Wiley. ISBN 978-0-471-81186-2 .

Allmän täckning

•   A. Beiser (1987). Concepts of Modern Physics (4:e upplagan). McGraw-Hill (Internationell). ISBN 978-0-07-100144-1 .
•   LH Greenberg (1978). Fysik med moderna tillämpningar . Holt-Saunders International WB Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5 .
•   RG Lerner ; GL Trigg (2005). Encyclopaedia of Physics (2:a uppl.). VHC Publishers, Hans Warlimont, Springer. s. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4 .
•   JB Marion; WF Hornyak (1984). Fysikens principer . Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2 .
•   HJ Pain (1983). The Physics of Vibrations and Waves (3:e upplagan). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-90182-2 .
•   CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2:a upplagan). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-051400-3 .
•   R. Penrose (2007). Vägen till verkligheten . Vintage böcker. ISBN 978-0-679-77631-4 .
•   PA tipper; G. Mosca (2008). Fysik för forskare och ingenjörer: med modern fysik ( 6:e upplagan). WH Freeman och Co. ISBN 978-1-4292-0265-7 .
•   PM Whelan; MJ Hodgeson (1978). Essential Principles of Physics (2:a upplagan). John Murray. ISBN 978-0-7195-3382-2 .

externa länkar

• Magnetfältstyrkeomvandlare
• Electromagnetic Force – från Eric Weissteins World of Physics