Электромагнетизм - Electromagnetism

Электромагнетизм это филиал физика включая изучение электромагнитная сила, тип физическое взаимодействие что происходит между электрически заряженный частицы. Электромагнитная сила переносится электромагнитные поля состоит из электрические поля и магнитные поля, и он отвечает за электромагнитное излучение Такие как свет. Это один из четырех фундаментальные взаимодействия (обычно называемые силами) в природа вместе с сильное взаимодействие, то слабое взаимодействие, и гравитация.^[1] При высокой энергии слабая сила и электромагнитная сила объединяются как единое целое. электрослабая сила.

Молния является электростатический разряд который перемещается между двумя заряженными регионами.

Электромагнитные явления определяются в терминах электромагнитной силы, иногда называемой Сила Лоренца, который включает как электричество и магнетизм как разные проявления одного и того же явления. Электромагнитная сила играет важную роль в определении внутренних свойств большинства предметов, встречающихся в повседневной жизни. Электромагнитное притяжение между атомные ядра и их орбитальные электроны держит атомы вместе. Электромагнитные силы несут ответственность за химические связи между атомами, которые создают молекулы, и межмолекулярные силы. Электромагнитная сила управляет всеми химическими процессами, которые возникают в результате взаимодействия между электроны соседних атомов.

Есть множество математические описания электромагнитного поля. В классическая электродинамика, электрические поля описываются как электрический потенциал и электрический ток. В Закон Фарадея, магнитные поля связаны с электромагнитная индукция и магнетизм, и 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 (проницаемость и диэлектрическая проницаемость ), привело к развитию специальная теория относительности к Альберт Эйнштейн в 1905 г.

История теории

Ганс Кристиан Эрстед

Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась с публикацией Джеймс Клерк Максвелл 1873 г. Трактат об электричестве и магнетизме в котором взаимодействие положительных и отрицательных зарядов опосредовано одной силой. Эти взаимодействия приводят к четырем основным эффектам, и все они четко продемонстрированы экспериментами:

Электрические заряды привлекать или же отталкивать друг друга с силой обратно пропорциональный квадрату расстояния между ними: разные заряды притягиваются, подобные отталкиваются.
Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) притягивают или отталкивают друг друга так же, как положительные и отрицательные заряды, и всегда существуют парами: каждый северный полюс привязан к южному полюсу.
Электрический ток внутри провода создает соответствующее периферийное магнитное поле снаружи провода. Его направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) зависит от направления тока в проводе.
Ток индуцируется в проволочной петле, когда она перемещается к магнитному полю или от него, или когда магнит перемещается к нему или от него; направление тока зависит от движения.

Андре-Мари Ампер

Готовясь к вечерней лекции 21 апреля 1820 г., Ганс Кристиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он настраивал свои материалы, он заметил стрелка компаса отклонено от магнитный север когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение убедило его в том, что магнитные поля излучаются со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, точно так же, как свет и тепло, и что это подтвердило прямую связь между электричеством и магнетизмом.

Во время открытия Эрстед не предлагал удовлетворительного объяснения этого явления и не пытался представить это явление в математической структуре. Однако через три месяца он начал более интенсивное расследование. Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течет по проводу. В CGS единица магнитная индукция (эрстед ) назван в честь его вклада в область электромагнетизма.

Джеймс Клерк Максвелл

Его открытия привели к интенсивным исследованиям в научном сообществе в электродинамика. Они повлияли на французского физика Андре-Мари Ампер Разработка 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, продлен на Джеймс Клерк Максвелл, и частично переформулирована Оливер Хевисайд и Генрих Герц, является одним из ключевых достижений XIX века. математическая физика.^[2] Это имело далеко идущие последствия, одним из которых было понимание природы свет. В отличие от того, что предлагалось электромагнитной теорией того времени, свет и другие электромагнитные волны в настоящее время рассматриваются как принимающие форму квантованный, самораспространяющийся колебательный возмущения электромагнитного поля, называемые фотоны. Разные частоты колебаний порождают различные формы электромагнитное излучение, из радиоволны на самых низких частотах, до видимого света на промежуточных частотах, до гамма излучение на самых высоких частотах.

Эрстед был не единственным человеком, исследовавшим взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. В 1802 г. Джан Доменико Романьози, итальянский ученый-юрист, отклонил магнитную стрелку с помощью вольтова сваи. Фактическая установка эксперимента не совсем ясна, поэтому, протекал ли ток через иглу или нет. Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он не был замечен современным научным сообществом, потому что Ромагнози, казалось, не принадлежал к этому сообществу.^[3]

О более ранней (1735 г.) и часто игнорируемой связи между электричеством и магнетизмом сообщил доктор Куксон.^[4] В аккаунте говорилось:

Торговец из Уэйкфилда в Йоркшире, положив огромное количество ножей и вилок в большой ящик ... и поставив ящик в углу большой комнаты, внезапно разразился грозой, молнией и т. Д. ... Хозяин, опорожняя коробку на прилавке, где лежали гвозди, люди, которые брали ножи, которые лежали на гвоздях, заметили, что ножи забирают гвозди. При этом было опробовано все количество, и было обнаружено, что они делают то же самое, и это до такой степени, что на них можно брать большие гвозди, упаковочные иглы и другие железные предметы значительного веса ...

Э. Т. Уиттакер предположил в 1910 году, что именно это событие является причиной того, что молнии «приписывают силу намагничивающей стали; и это, несомненно, привело Франклина в 1751 году к попытке намагнитить швейную иглу с помощью разряда лейденских банок». ^[5]

Фундаментальные силы

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения.

Электромагнитная сила - одна из четырех известных фундаментальные силы. Другие фундаментальные силы:

то сильная ядерная сила, который связывает кварки формировать нуклоны, и связывает нуклоны с образованием ядра.
то слабая ядерная сила, который связывается со всеми известными частицами в Стандартная модель, и вызывает определенные формы радиоактивный распад. (В физика элементарных частиц хотя электрослабое взаимодействие представляет собой единое описание двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизма и слабого взаимодействия);
то сила гравитации.

Все остальные силы (например, трение, контактные силы) выводятся из этих четырех фундаментальные силы и они известны как Нефундаментальные силы.^[6]

Электромагнитная сила ответственна практически за все явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни выше ядерных масштабов, за исключением гравитации. Грубо говоря, все силы, участвующие во взаимодействии между атомы можно объяснить электромагнитной силой, действующей между электрически заряженными атомные ядра и электроны атомов. Электромагнитные силы также объясняют, как эти частицы передают импульс своим движением. Сюда входят силы, которые мы испытываем при «толкании» или «вытягивании» обычных материальных объектов, которые возникают в результате межмолекулярные силы которые действуют между отдельными молекулы в наших телах и в объектах. Электромагнитная сила также участвует во всех формах химические явления.

Необходимая часть понимания внутриатомных и межмолекулярных сил - это эффективная сила, генерируемая импульсом движения электронов, так что, когда электроны перемещаются между взаимодействующими атомами, они несут с собой импульс. Поскольку сбор электронов становится более ограниченным, их минимальный импульс обязательно увеличивается из-за Принцип исключения Паули. Поведение вещества на молекулярном уровне, включая его плотность, определяется балансом между электромагнитной силой и силой, порождаемой обменом импульсом, переносимым самими электронами.^[7]

Классическая электродинамика

В 1600 г. Уильям Гилберт предложил в своем De Magnete, что электричество и магнетизм, хотя и способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются разными эффектами. Моряки заметили, что удары молнии могут повредить стрелку компаса. Связь между молнией и электричеством не была подтверждена до тех пор, пока Бенджамин Франклин предложенных экспериментов в 1752 году. Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между искусственным электрическим током и магнетизмом, был Джан Романьози, который в 1802 году заметил, что подключение провода через гальваническая свая отклонил ближайший компас иголка. Однако этот эффект не стал широко известен до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент.^[8] Работа Эрстеда повлияла на Ампера, чтобы создать теорию электромагнетизма, которая поставила предмет на математическую основу.

Теория электромагнетизма, известная как классический электромагнетизм, был разработан различными физиками в период между 1820 и 1873 годами, когда он завершился публикацией научный труд к Джеймс Клерк Максвелл, объединившие предшествующие разработки в единую теорию и открывшую электромагнитную природу света.^[9] В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается системой уравнений, известной как Уравнения Максвелла, а электромагнитная сила задается Закон силы Лоренца.^[10]

Одна из особенностей классического электромагнетизма состоит в том, что его трудно согласовать с классическая механика, но это совместимо со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме - универсальная постоянная, которая зависит только от электрическая проницаемость и магнитная проницаемость из свободное место. Это нарушает Галилеевская инвариантность, давний краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить две теории (электромагнетизм и классическую механику) - это предположить существование светоносный эфир через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные попытки обнаружить присутствие эфира не удалось. После важных вкладов Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре, в 1905 г., 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 подразумевает, что в движущихся системах отсчета магнитное поле трансформируется в поле с ненулевой электрической составляющей и, наоборот, движущееся электрическое поле трансформируется в ненулевую магнитную составляющую, тем самым твердо показывая, что явления являются двумя сторонами такая же монета. Отсюда 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 солнечном плазма дает начало солнечные вспышки, сложное магнитогидродинамическое явление.

Уравнения Максвелла: линейный в том, что изменение источников (зарядов и токов) приводит к пропорциональному изменению полей. Нелинейная динамика может возникнуть, когда электромагнитные поля соединяются с веществом, которое подчиняется нелинейным динамическим законам. Это изучается, например, в теме магнитогидродинамика, который сочетает в себе теорию Максвелла с Уравнения Навье – Стокса.

Количество и единицы

Электромагнитные блоки являются частью системы электрических единиц, основанной в первую очередь на магнитных свойствах электрических токов, при этом основной единицей СИ является ампер. Единицы:

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 электромагнитном cgs В системе электрический ток является фундаментальной величиной, определяемой через Закон Ампера и берет проницаемость как безразмерная величина (относительная проницаемость), значение которой в вакууме равно единство. Как следствие, квадрат скорости света явно появляется в некоторых уравнениях, связывающих величины в этой системе.

SI электромагнетизм единицы
Символ^[11]	Название количества	Название объекта	Символ	Базовые единицы
Q	электрический заряд	кулон	C	A⋅s
я	электрический ток	ампер	А	А (= W / V = C / s)
J	плотность электрического тока	ампер за квадратный метр	Являюсь²	A⋅m⁻²
U, ΔV, Δφ; E	разность потенциалов; электродвижущая сила	вольт	V	Дж / Кл = кг⋅м²⋅s⁻³⋅A⁻¹
р; Z; Икс	электрическое сопротивление; сопротивление; реактивное сопротивление	ом	Ω	В / А = кг⋅м²⋅s⁻³⋅A⁻²
ρ	удельное сопротивление	ом метр	Ом⋅м	кг⋅м³⋅s⁻³⋅A⁻²
п	электроэнергия	ватт	W	V⋅A = кг⋅м²⋅s⁻³
C	емкость	фарад	F	C / V = кг⁻¹⋅m⁻²⋅A²⋅s⁴
Φ_E	электрический поток	вольт метр	V⋅m	кг⋅м³⋅s⁻³⋅A⁻¹
E	электрическое поле сила	вольт на метр	В / м	N / C = кг⋅м⋅A⁻¹⋅s⁻³
D	электрическое поле смещения	кулон на квадратный метр	См²	A⋅s⋅m⁻²
ε	диэлектрическая проницаемость	фарад на метр	Ф / м	кг⁻¹⋅m⁻³⋅A²⋅s⁴
χ_е	электрическая восприимчивость	(безразмерный )	1	1
грамм; Y; B	проводимость; допуск; восприимчивость	Сименс	S	Ω⁻¹ = кг⁻¹⋅m⁻²⋅s³⋅A²
κ, γ, σ	проводимость	Сименс на метр	См / м	кг⁻¹⋅m⁻³⋅s³⋅A²
B	плотность магнитного потока, магнитная индукция	тесла	Т	Вт / м² = кг⋅с⁻²⋅A⁻¹ = N⋅A⁻¹⋅m⁻¹
Φ, Φ_M, Φ_B	магнитный поток	Вебер	Wb	V⋅s = кг⋅м²⋅s⁻²⋅A⁻¹
ЧАС	магнитное поле сила	ампер на метр	Являюсь	A⋅m⁻¹
L, M	индуктивность	Генри	ЧАС	Wb / A = V⋅s / A = кг⋅м²⋅s⁻²⋅A⁻²
μ	проницаемость	Генри на метр	H / м	кг⋅м⋅s⁻²⋅A⁻²
χ	магнитная восприимчивость	(безразмерный )	1	1

Формулы физических законов электромагнетизма (например, Уравнения Максвелла ) необходимо настроить в зависимости от того, какую систему единиц измерения вы используете. Это потому, что нет индивидуальная переписка между электромагнитными единицами в системе СИ и единицами измерения в системе координат, как и в случае с механическими единицами. Кроме того, в CGS есть несколько возможных вариантов выбора электромагнитных единиц, что приводит к различным «подсистемам» единиц, включая Гауссовский, «ЕСУ», «ЭВС» и Хевисайд-Лоренц. Среди этих вариантов гауссовы единицы являются наиболее распространенными сегодня, и фактически фраза «единицы CGS» часто используется для обозначения конкретно CGS-гауссовские единицы.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Интернет-источники

Нейв, Р. «Электричество и магнетизм». Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. Получено 2013-11-12.
Хуторянский, Э. «Электромагнетизм - законы Максвелла». Получено 2014-12-28.

Учебники

G.A.G. Беннет (1974). Электричество и современная физика (2-е изд.). Эдвард Арнольд (Великобритания). ISBN 978-0-7131-2459-0.
Браун, Майкл (2008). Физика для инженерии и науки (2-е изд.). Макгроу-Хилл / Шаум. ISBN 978-0-07-161399-6.
Дибнер, Берн (2012). Эрстед и открытие электромагнетизма. Литературное лицензирование, ООО. ISBN 978-1-258-33555-7.
Дурни, Карл Х .; Джонсон, Кертис С. (1969). Введение в современную электромагнетизм. Макгроу-Хил]. ISBN 978-0-07-018388-9.
Фейнман, Ричард П. (1970). Лекции Фейнмана по физике Том II. Эддисон Уэсли Лонгман. ISBN 978-0-201-02115-8.
Флейш, Даниэль (2008). Руководство для студентов по уравнениям Максвелла. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-70147-1.
ЯВЛЯЕТСЯ. Грант; W.R. Phillips; Манчестерская физика (2008). Электромагнетизм (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-92712-9.
Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0.
Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. ISBN 978-0-471-30932-1.
Молитон, Андре (2007). Основной электромагнетизм и материалы. 430 страниц. Нью-Йорк: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-30284-3.
Перселл, Эдвард М. (1985). Электричество и магнетизм Беркли, Том 2 курса физики (2-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-004908-6.
Перселл, Эдвард М. и Морин, Дэвид. (2013). Электричество и магнетизм, 820p (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк. ISBN 978-1-107-01402-2.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
Рао, Наннапанени Н. (1994). Элементы инженерного электромагнетизма (4-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-948746-0.
Ротвелл, Эдвард Дж .; Клауд, Майкл Дж. (2001). Электромагнетизм. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1397-4.
Типлер, Пол (1998). Физика для ученых и инженеров: Вып. 2. Свет, электричество и магнетизм (4-е изд.). W.H. Фримен. ISBN 978-1-57259-492-0.
Wangsness, Roald K .; Клауд, Майкл Дж. (1986). Электромагнитные поля (2-е издание). Вайли. ISBN 978-0-471-81186-2.

Общие ссылки

А. Байзер (1987). Концепции современной физики (4-е изд.). Макгроу-Хилл (международный). ISBN 978-0-07-100144-1.
Л. Х. Гринберг (1978). Физика с современными приложениями. Holt-Saunders International W.B. Сондерс и Ко. ISBN 978-0-7216-4247-5.
R.G. Лернер; Г.Л. Тригг (2005). Энциклопедия физики (2-е изд.). Издательство VHC, Ханс Варлимонт, Springer. С. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4.
J.B. Marion; W.F. Горняк (1984). Принципы физики. Международный колледж Сондерса Холт-Сондерс. ISBN 978-4-8337-0195-2.
Х. Дж. Пейн (1983). Физика колебаний и волн (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-90182-2.
К. Б. Паркер (1994). Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-051400-3.
Р. Пенроуз (2007). Дорога к реальности. Винтажные книги. ISBN 978-0-679-77631-4.
П.А. Типлер; Г. Моска (2008). Физика для ученых и инженеров: с современной физикой (6-е изд.). W.H. Фриман и Ко. ISBN 978-1-4292-0265-7.
ВЕЧЕРА. Уилан; М.Дж. Ходжесон (1978). Основные принципы физики (2-е изд.). Джон Мюррей. ISBN 978-0-7195-3382-2.

внешняя ссылка

Конвертер напряженности магнитного поля
Электромагнитная сила - из книги Эрика Вайсштейна "Мир физики"
Отклонение иглы магнитного компаса током в проводе (видео) на YouTube

[1] Равайоли, Фавваз Т. Улаби, Эрик Михильссен, Умберто (2010). Основы прикладной электромагнетизма (6-е изд.). Бостон: Прентис Холл. п.13. ISBN 978-0-13-213931-1.

[2] Дарригол, Оливье (2000). Электродинамика от Ампера до Эйнштейна. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0198505949.

[3] Мартинс, Роберто де Андраде. «Куча Ромагнози и Вольта: первые трудности в интерпретации вольтова электричества» (PDF). В Фабио Бевилаква; Лучио Фрегонезе (ред.). Nuova Voltiana: Исследования о Вольте и его временах. 3. Università degli Studi di Pavia. С. 81–102. Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-05-30. Получено 2010-12-02.

[4] VIII. Описание необычного эффекта молнии в передаче магнетизма. Сообщение: Пирс Дод, доктор медицины F.R.S. от доктора Куксона из Уэйкфилда в Йоркшире. Фил. Пер. 1735 39, 74-75, опубликовано 1 января 1735 г.

[5] Уиттакер, E.T. (1910). История теорий эфира и электричества от эпохи Декарта до конца девятнадцатого века. Longmans, Green and Company.

[6] Браун, "Физика для инженерии и науки", с. 160: «Гравитация - одна из фундаментальных сил природы. Другие силы, такие как трение, натяжение и нормальная сила, происходят от электрической силы, другой из фундаментальных сил. Гравитация - довольно слабая сила ... Электрическая сила между двумя протонами намного сильнее гравитационной силы между ними ».

[7] Перселл, "Электричество и магнетизм, 3-е издание", с. 546: Глава 11 Раздел 6, «Электронный спин и магнитный момент».

[Oersted-8] Стерн, доктор Дэвид П .; Передо, Маурисио (2001-11-25). «Магнитные поля - История». Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. Получено 2009-11-27.

[9] Перселл, стр. 436. Глава 9.3, «Описание Максвеллом электромагнитного поля было по существу полным».

[10] Перселл: стр. 278: Глава 6.1, «Определение магнитного поля». Сила Лоренца и уравнение силы.

[11] Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии, 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. С. 14–15. Электронная версия.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

В фундаментальные взаимодействия из физика
Физические силы	Сильное взаимодействие Фундаментальный Остаточный Электрослабое взаимодействие Слабое взаимодействие Электромагнетизм Гравитация Электрический заряд
Излучения	Электромагнитное излучение Гравитационное излучение
Гипотетические силы	Пятая сила Квинтэссенция Гипотеза о слабой гравитации
Глоссарий физики Физика элементарных частиц Философия физики Вселенная Слабая Вселенная

Разделы физики
Подразделения	Теоретическая Вычислительная Экспериментальный Применяемый
Классический	Классическая механика Акустика Классический электромагнетизм Оптика Термодинамика Статистическая механика
Современное	Квантовая механика Специальная теория относительности Общая теория относительности Физика элементарных частиц Ядерная физика Квантовая хромодинамика Атомная, молекулярная и оптическая физика Физика конденсированного состояния Космология Астрофизика
Междисциплинарный	Физика атмосферы Биофизика Химическая физика Инженерная физика Геофизика Материаловедение Математическая физика
Смотрите также	История физики Нобелевская премия по физике Хронология открытий в физике Теория всего