Elektromagnetiskt fält - upptäcktshistoria och fysikaliska egenskaper

Elektriska och magnetiska fenomen har varit kända för mänskligheten sedan urminnes tider, trots allt såg de blixtar och många forntida människor visste om magneter som attraherar vissa metaller. Bagdadbatteriet, som uppfanns för 4000 år sedan, är ett av bevisen på att mänskligheten använde elektricitet långt före våra dagar och uppenbarligen visste hur det fungerade. Man tror dock att fram till början av 1800-talet betraktades elektricitet och magnetism alltid separat från varandra, betraktades som orelaterade fenomen och tillhörde olika grenar av fysiken.

Studiet av magnetfältet började 1269 när den franske vetenskapsmannen Peter Peregrin (Ridder Pierre av Mericourt) markerade magnetfältet på ytan av en sfärisk magnet med hjälp av stålnålar och fastställde att de resulterande magnetfältslinjerna skärs vid två punkter som han kallade "poler" i analogi med jordens poler.

Oersted i sina experiment först 1819.hittade avböjningen av en kompassnål placerad nära en strömförande tråd, och sedan drog forskaren slutsatsen att det fanns ett samband mellan elektriska och magnetiska fenomen.

5 år senare, 1824, kunde Ampere matematiskt beskriva växelverkan mellan en strömförande ledning med en magnet, såväl som växelverkan mellan ledningar med varandra, så det verkade Amperes lag: "Den kraft som verkar på en strömförande tråd placerad i ett enhetligt magnetfält är proportionell mot längden på tråden, magnetisk induktionsvektor, ström och sinus för vinkeln mellan den magnetiska induktionsvektorn och tråden «.

När det gäller effekten av en magnet på en ström, föreslog Ampere att det inuti en permanentmagnet finns mikroskopiska slutna strömmar som skapar ett magnetfält av magneten som interagerar med magnetfältet hos en strömförande ledare.

Efter ytterligare 7 år, 1831, upptäckte Faraday experimentellt fenomenet elektromagnetisk induktion, det vill säga han lyckades fastställa faktumet av uppkomsten av en elektromotorisk kraft i en ledare i det ögonblick då ett föränderligt magnetfält verkar på denna ledare. Se - praktisk tillämpning av fenomenet elektromagnetisk induktion.

Till exempel, genom att flytta en permanentmagnet nära en tråd, kan du få en pulserande ström i den, och genom att applicera en pulserande ström på en av spolarna, på den gemensamma järnkärnan som den andra spolen sitter med, kommer en pulserande ström att visas också i den andra spolen.

33 år senare, 1864, lyckades Maxwell sammanfatta redan kända elektriska och magnetiska fenomen matematiskt — han skapade en teori om det elektromagnetiska fältet, enligt vilken det elektromagnetiska fältet inkluderar sammankopplade elektriska och magnetiska fält. Så tack vare Maxwell blev det möjligt att vetenskapligt kombinera resultaten från tidigare experiment inom elektrodynamik.

En konsekvens av dessa viktiga slutsatser av Maxwells är hans förutsägelse att i princip varje förändring i det elektromagnetiska fältet måste generera elektromagnetiska vågor som fortplantar sig i rymden och i dielektriska medier med en viss ändlig hastighet som beror på mediets magnetiska och dielektriska permittivitet. för utbredning vågig.

För ett vakuum visade sig denna hastighet vara lika med ljusets hastighet, i samband med vilket Maxwell antog att ljus också är en elektromagnetisk våg, och detta antagande bekräftades senare (även om Jung påpekade ljusets vågnatur långt före Oersteds experiment).

Maxwell, å andra sidan, skapade den matematiska grunden för elektromagnetism, och 1884 dök Maxwells berömda ekvationer upp i modern form. År 1887 bekräftade Hertz Maxwells teori om elektromagnetiska vågor: Mottagaren kommer att ta upp de elektromagnetiska vågorna som skickas av sändaren.

Klassisk elektrodynamik handlar om studier av elektromagnetiska fält.Inom ramen för kvantelektrodynamik betraktas elektromagnetisk strålning som ett flöde av fotoner, där den elektromagnetiska interaktionen bärs av bärarpartiklar - fotoner - masslösa vektorbosoner, som kan representeras som elementära kvantexcitationer av ett elektromagnetiskt fält. Därför är en foton ett kvant av det elektromagnetiska fältet ur kvantelektrodynamikens perspektiv.

Den elektromagnetiska interaktionen anses idag vara en av de fundamentala interaktionerna inom fysiken, och det elektromagnetiska fältet är ett av de fundamentala fysiska fälten tillsammans med gravitations- och fermionfälten.

Fysiska egenskaper hos det elektromagnetiska fältet

Närvaron av elektriska eller magnetiska fält eller båda i rymden kan bedömas av det elektromagnetiska fältets starka inverkan på en laddad partikel eller på en ström.

Det elektriska fältet verkar på elektriska laddningar, både rörliga och stationära, med en viss kraft, beroende på styrkan av det elektriska fältet vid en given punkt i rymden vid en given tidpunkt och på storleken på testladdningen q.

Genom att känna till kraften (storlek och riktning) med vilken det elektriska fältet verkar på testladdningen, och genom att känna till laddningens storlek, kan den elektriska fältstyrkan E vid en given punkt i rymden hittas.

Ett elektriskt fält skapas av elektriska laddningar, dess kraftlinjer börjar vid positiva laddningar (villkorligt flyter från dem) och slutar vid negativa laddningar (villkorligt flyter in i dem). Således är elektriska laddningar källor till elektriska fält. En annan källa till det elektriska fältet är det föränderliga magnetfältet, vilket är matematiskt bevisat av Maxwells ekvationer.

Kraften som verkar på en elektrisk laddning från sidan av det elektriska fältet är en del av kraften som verkar på en given laddning från sidan av det elektromagnetiska fältet.

Ett magnetfält skapas av att elektriska laddningar (strömmar) rör sig eller av tidsvarierande elektriska fält (som syns i Maxwells ekvationer) och verkar bara på rörliga elektriska laddningar.

Styrkan av magnetfältets verkan på en rörlig laddning är proportionell mot induktionen av magnetfältet, storleken på den rörliga laddningen, hastigheten på dess rörelse och sinus för vinkeln mellan induktionsvektorn för magnetfältet B och riktningen för laddningens rörelsehastighet. Denna kraft hänvisas ofta till som Lorenzobache-kraften är bara den "magnetiska" delen av den.

Faktum är att Lorentz-kraften inkluderar elektriska och magnetiska komponenter. Magnetfältet skapas genom att elektriska laddningar (strömmar) rör sig, dess kraftlinjer är alltid stängda och täcker strömmen.