Pole elektromagnetyczne - historia odkryć i właściwości fizyczne

Zjawiska elektryczne i magnetyczne były znane ludzkości od czasów starożytnych, w końcu widzieli błyskawice, a wielu starożytnych ludzi wiedziało o magnesach przyciągających określone metale. Bateria Bagdadzka, wynaleziona 4000 lat temu, jest jednym z dowodów na to, że ludzkość korzystała z elektryczności na długo przed naszymi czasami i oczywiście wiedziała, jak to działa. Uważa się jednak, że do początku XIX wieku elektryczność i magnetyzm były zawsze rozpatrywane oddzielnie, uważane za zjawiska niepowiązane i należące do różnych gałęzi fizyki.

Badania pola magnetycznego rozpoczęto w 1269 roku, kiedy francuski naukowiec Peter Peregrin (rycerz Pierre z Mericourt) za pomocą stalowych igieł oznaczył pole magnetyczne na powierzchni kulistego magnesu i ustalił, że powstałe linie pola magnetycznego przecinają się w dwóch punktach, które nazwał „bieguny” przez analogię do biegunów Ziemi.

Oersted w swoich eksperymentach dopiero w 1819 roku.znalazł odchylenie igły kompasu umieszczonej w pobliżu przewodu z prądem, a następnie naukowiec doszedł do wniosku, że istnieje jakiś związek między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi.

5 lat później, w 1824 roku, Ampere był w stanie matematycznie opisać oddziaływanie drutu przewodzącego prąd z magnesem, a także wzajemne oddziaływanie drutów, więc okazało się, że Prawo Ampere'a: „Siła działająca na przewód z prądem umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym jest proporcjonalna do długości tego przewodu, wektor indukcji magnetycznej, prąd i sinus kąta między wektorem indukcji magnetycznej a drutem «.

Jeśli chodzi o wpływ magnesu na prąd, Ampere zasugerował, że wewnątrz magnesu trwałego znajdują się mikroskopijne zamknięte prądy, które tworzą pole magnetyczne magnesu oddziałującego z polem magnetycznym przewodnika z prądem.

Po kolejnych 7 latach, w 1831 r., Faraday eksperymentalnie odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, to znaczy udało mu się ustalić fakt pojawienia się siły elektromotorycznej w przewodniku w momencie, gdy na ten przewodnik działa zmieniające się pole magnetyczne. Patrzeć - praktyczne zastosowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

Na przykład, przesuwając magnes stały w pobliżu drutu, można uzyskać w nim pulsujący prąd, a przyłożenie pulsującego prądu do jednej z cewek, na wspólnym żelaznym rdzeniu, z którym znajduje się druga cewka, spowoduje pulsujący prąd pojawiają się również w drugim zwoju.

33 lata później, w 1864 roku, Maxwellowi udało się matematycznie podsumować znane już zjawiska elektryczne i magnetyczne — stworzył teorię pola elektromagnetycznego, zgodnie z którą pole elektromagnetyczne obejmuje wzajemnie powiązane pola elektryczne i magnetyczne. Tak więc dzięki Maxwellowi możliwe stało się naukowe połączenie wyników poprzednich eksperymentów z elektrodynamiki.

Konsekwencją tych ważnych wniosków Maxwella jest jego przewidywanie, że w zasadzie każda zmiana pola elektromagnetycznego musi generować fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się w przestrzeni iw ośrodkach dielektrycznych z pewną skończoną prędkością, która zależy od przenikalności magnetycznej i dielektrycznej ośrodka do propagacji falistej.

Dla próżni prędkość ta okazała się równa prędkości światła, w związku z czym Maxwell założył, że światło jest również falą elektromagnetyczną, co zostało później potwierdzone (chociaż Jung wskazywał na falową naturę światła na długo przed eksperymenty).

Z drugiej strony Maxwell stworzył matematyczne podstawy dla elektromagnetyzmu, aw 1884 roku jego słynne równania pojawiły się w nowoczesnej formie. W 1887 Hertz potwierdził teorię Maxwella fale elektromagnetyczne: Odbiornik będzie odbierał fale elektromagnetyczne wysyłane przez nadajnik.

Elektrodynamika klasyczna zajmuje się badaniem pól elektromagnetycznych.W ramach elektrodynamiki kwantowej promieniowanie elektromagnetyczne jest uważane za przepływ fotonów, w którym oddziaływanie elektromagnetyczne jest przenoszone przez cząstki nośnika — fotony — bezmasowe bozony wektorowe, które można przedstawić jako elementarne wzbudzenia kwantowe pola elektromagnetycznego. Dlatego foton JEST kwantem pola elektromagnetycznego z punktu widzenia elektrodynamiki kwantowej.

Oddziaływanie elektromagnetyczne jest dziś uważane za jedno z podstawowych oddziaływań w fizyce, a pole elektromagnetyczne jest jednym z podstawowych pól fizycznych obok pola grawitacyjnego i fermionowego.

Właściwości fizyczne pola elektromagnetycznego

Obecność pól elektrycznych lub magnetycznych lub obu w przestrzeni można ocenić na podstawie silnego oddziaływania pola elektromagnetycznego na naładowaną cząstkę lub na prąd.

Pole elektryczne działa na ładunki elektryczne, zarówno poruszające się, jak i nieruchome, z określoną siłą, zależną od natężenia pola elektrycznego w danym punkcie przestrzeni w danym czasie oraz od wielkości ładunku testowego q.

Znając siłę (wielkość i kierunek), z jaką pole elektryczne działa na ładunek testowy, oraz znając wielkość tego ładunku, można znaleźć natężenie pola elektrycznego E w danym punkcie przestrzeni.

Pole elektryczne jest tworzone przez ładunki elektryczne, jego linie sił zaczynają się od ładunków dodatnich (warunkowo płyną z nich), a kończą na ładunkach ujemnych (warunkowo do nich wpływają). Zatem ładunki elektryczne są źródłami pola elektrycznego. Innym źródłem pola elektrycznego jest zmienne pole magnetyczne, co matematycznie udowodniono równaniami Maxwella.

Siła działająca na ładunek elektryczny od strony pola elektrycznego jest częścią siły działającej na dany ładunek od strony pola elektromagnetycznego.

Pole magnetyczne jest tworzone przez poruszające się ładunki elektryczne (prądy) lub zmieniające się w czasie pola elektryczne (jak widać w równaniach Maxwella) i działa tylko na poruszające się ładunki elektryczne.

Siła działania pola magnetycznego na poruszający się ładunek jest proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego, wielkości poruszającego się ładunku, prędkości jego ruchu i sinusa kąta między wektorem indukcji pola magnetycznego B oraz kierunek prędkości ruchu ładunku. Ta siła jest często określana jako siła Lorenzobache'a i jest tylko jej „magnetyczną” częścią.

W rzeczywistości siła Lorentza obejmuje komponenty elektryczne i magnetyczne. Pole magnetyczne jest tworzone przez poruszające się ładunki elektryczne (prądy), jego linie sił są zawsze zamknięte i pokrywają prąd.