сряда, 2 май 2012 г.

Електромагнетизъм

...






Електромагнетизмът е дял от физиката, чийто обект на изследване е електромагнитното поле: това е полето, обхващащо цялото пространство около частици, притежаващи електричен заряд, което упражнява сила върху тях и на свой ред се влияе от присъствието и движението на такива частици.

Теорията на електромагнетизма разглежда редица електромагнитни явления, сред които могат да се обособят електростатика, магнитостатика, електродинамика, електрически вериги и др.






Електромагнитна сила


Електромагнитната сила е една от четирите фундаментални сили в природата и влияе на електрически заредени частици (лептони и кварки).

Другите три фундаментални сили са силното взаимодействие (на него се дължи съществуването на атомните ядра), слабото взаимодействие (свързано с някои форми на радиокативния разпад) и гравитацията. Всички останали сили в природата са свързани с тези четири.

Оказва се, че електромагнитната сила е в основата на практически всички явления, с които се сблъскваме в ежедневието си, с изключение на гравитацията. Грубо казано, всички сили на взаимодействие между атомите могат да бъдат сведени до влиянието на електромагнитната сила върху електрически заредените протони и електрони, от които те са съставени.

Това включва както силите, които упражняваме при "бутане" и "дърпане" на обикновени материални обекти, основаващи се на междумолекулното взаимодействие между молекулите на телата ни и тези на обектите, така и всички химични явления, които се дължат на взаимодействия между електронните орбитали.









Електромагнитно взаимодействие


Електромагнитното взаимодействие е едно от четирите фундаментални взаимодействия. Електромагнитното взаимодействие съществува между частиците, имащи електрически заряд, както и между електрически неутралните съставни частици, части от които притежават заряд.

Например, неутронът е неутрална частица, но в състава му влизат заредени кварки и затова той участва в електромагнитни взаимодействия (в частност, притежава ненулев магнитен момент).

Електромагнитното взаимодействие влияе на електрически заредени частици (лептони и кварки).

От фундаменталните частици в електромагнитни взаимодействия участват кварките, електроните, мюоните и тау-частиците, както и заредените калибровъчни бозони.

От гледна точка на Квантовата теория на полето електромагнитното взаимодействие се пренася от безмасовия бозон — фотона (символ γ).

Електромагнитното взаимодействие се отличава от слабото и силното взаимодействие със своя дълго действаш характер — силата на взаимодействие между два заряда спада едва като втора степен на разстоянието (виж Закон на Кулон). По такъв закон спада с разстоянието и гравитационното взаимодействие.

Електромагнитното взаимодействие на заредените частици е много по-силно от гравитационното и единствената причина, поради която електромагнитното взаимодействие не се проявява с голяма сила в космически мащаби е, че материята има електрическа неутралност, тоест наличието във всяка област на Вселената с висока степен на точност на равни количества положителни и отрицателни заряди.

На проводник с ток, разположен в магнитно поле, действа силата на Ампер.

На заредена частица, движеща се в магнитно поле, действа силата на Лоренц.

Източник на електростатичното взаимодействие е електричният заряд.

Силата на взаимодействие между 2 неподвижни заряда се определя от Закона на Кулон. Носител на взаимодействието е фотонът (γ-квантът), който има спин 1 h няма заряд, масата му на покой е 0 (нула), движи се със скоростта на светлината.

Съществуват теория,така наречената "Теория на великото обединение, англ. Grand Unified Theory - GUT).

Под това понятие се има предвид, която и да е от няколко сходни теории на обединеното поле, които предсказват, че при много високи енергии (над GeV), електромагнитното, слабото ядрено и силното ядрено взаимодействия се сливат в единно обединено поле.

До сега физиците са успели да обединят електромагнетизма и слабото взаимодействие в т.нар. електрослабо взаимодействие. Продължава да се работи по обединението на електрослабото взаимодействие с квантовата хромодинамика в т.нар. КХД-електрослабо взаимодействие, понякога наричано електросилно взаимодействие. Има предположения, че след великото обединение, е възможно обединение на гравитацията със другите три калибровъчни симетрии във теория на всичко.






Електрично и магнитно поле



Често е удобно да разбираме електромагнитното поле като съставено от две отделни полета: електрично и магнитно.

Около всяка електрически заредена частица съществува ненулево електрично поле, което поражда електрични сили; тези сили са в основата на статичното електричество и пораждат движението на електрични заряди (електричен ток) по проводници.

Магнитното поле, от друга страна, се причинява от движението на електрични заряди и поражда магнитни сили, които в магнитостатиката свързваме с магнитите.

Терминът "електромагнетизъм" произлиза от двете отделни компонентни полета на електромагнитното поле — електричното и магнитното.

Променящо се във времето магнитно поле създава електрично поле (това е явлението електромагнитна индукция, което е в основата на действието на електрическите генератори, електромоторите и трансформаторите). По същия начин, променящо се електрично поле създава магнитно поле.

Заради тази взаимосвързаност на електричното и магнитното полета е логично да ги разглеждаме като един единствен обект — електромагнитното поле.

Това обединяване, завършено от Джеймс Клерк Максуел, е едно от триумфалните постижения на физиката през 19 век.

То има последствия с голямо значение, едно от които е изясняването на природата на светлината: както се оказва, тя всъщност представлява разпространяващо се електромагнитно излъчване или електромагнитна вълна.

Различните честоти на трептене на вълната съответстват на различните части на електромагнитния спектър — от радиовълните с ниски честота, през видимата светлина със средни честоти, до гама лъчите с високи честоти.

Теоретичните изводи от теорията на електромагнетизма довеждат до създаването на Специалната теория на относителността от Алберт Айнщайн през 1905. - СТО








Електромагнитно поле



Електромагнитно поле — е съвкупността от електрическото и магнитното полета, които могат да преминават едно в друго. Математически този процес се описва в специален раздел от физиката, наречен електродинамика с използване на системата уравнения на Максуел.

Електромагнитното поле е област от пространството, в която се наблюдават електромагнитни взаимодействия (например взаимодействието с това поле на пробен електрически заряд, поставен в конкретна точка).

Електричните и магнитни сили действат между зарядите и когато зарядите се намират на разстояние един от друг, при това, както когато се намират във вакуум, така и когато са заобиколени от вещество.

Преносител на електромагнитните сили се явява електромагнитното поле, което съществува около всеки електричен заряд.

Свойствата на електромагнитното поле зависят от големината, положението в пространството и начина на движение на електричните заряди, които го създават. Тези свойства се изразяват в това, че електромагнитното поле действа на други електрични заряди, когато се намират или преминават през него.

Електромагнитното поле, създавано от неподвижни заряди се нарича електростатично или електрично поле.

Движещите се с постоянна скорост заряди създават освен електрично и магнитно поле.

Магнитното поле освен, че се създава от движещи се заряди има още и свойството да действа само на движещи се заряди.

Има твърди тела, около който, поради особеностите на техния строеж, съществува постоянно магнитно поле, наречени постоянни магнити.

Както електричното, така и магнитното поле се създават от електрични заряди и действат върху електрични заряди, затова те се явяват частни случаи на едно и също поле наречено електромагнитно поле.

Електромагнитното поле е съвкупността от електричното и магнитното поле, създавани от определени заряди. Нещо повече, както показва опита, между тези полета съществува връзка - променливото електрично поле води до възникване на променливо магнитно поле и обратно, което още повече дава основание тези полета да се разглеждат като единен обект.

Когато стават промени в положението или скоростта на движение на зарядите, създаващи дадено електромагнитно поле, полето се променя, но промените на полето се предават от точка до точка в пространството с крайна скорост. Разпространението на промените в електромагнитното поле в пространството се нарича електромагнитна вълна.






Електромагнитни вълни


Процесът на еволюция на смущенията, възникнали в електромагнитните полета носи името електромагнитни вълни.

Примери за електромагнитни вълни са светлината (включително инфрачервената и ултравиолетовата), радиовълните, рентгеновите лъчи.

В рамките на квантовата електродинамика електромагнитното поле е прието да се разглежда като поток от кванти светлина.

Частицата-носител на електромагнитното взаимодействия се нарича фотон - това е квантът на електромагнитното поле.

Електромагнитните вълни се отличават по честотата на промените на електромагнитното поле, които се извършват в тях. Електромагнитни вълни (подредени по намаляваща честота) са: гама-лъчите, рентгеновите лъчи, ултравиолетовото излъчване, видимата светлина, инфрачервеното излъчване и радиовълните.

Електромагнитни вълни пренасят енергия. Системата от заряди, която излъчва електромагнитни вълни намалява енергията си и това намаление е енергията, която се предава на излъчваните електромагнитни вълни.

Опитът показва, че както излъчването, така и поглъщането на електромагнитни вълни става на малки порции, наречени кванти.

Това дава основание да се приеме, че електромагнитните вълни представляват поток от частици - фотони.

Оказва се, че фотоните са съставни единици не само на електромагнитните вълни, но и на всяко електромагнитно поле. С други думи, всяко електромагнитно поле се състои от особен вид частици - фотони.







Произход на електромагнитната теория


В своя труд De Magnete (1600) Уилям Гилбърт предполага, че макар електричеството и магнетизмът да причиняват привличане и отблъскване между обектите по сходен начин, те представляват различни явления.

Моряците отдавна били забелязали, че при гръмотевчни бури стрелката на компаса полудява, но връзката между електричеството и светкавиците била потвърдена едва с експериментите на Бенджамин Франклин през 1752.

Един от първите откриватели на връзката между произведеното от човека електричество и магнетизма бил италианецът Романьози, който през 1802 забелязал, че при свързването на проводник към електрическа батерия стрелката на намиращия се наблизо компас се отклонява.

Ефектът обаче не бил широко известен до 1820, когато Оерстед провел подобен експеримент. Работата на Оерстед на свой ред повлияла на Ампер, който създал математическата основа на теорията на електромагнетизма.

Теорията на електромагнетизма, известна като класическа електродинамика, била разработена през 19-ти век от различни физици, като кулминацията представлява работата на английския физик Джеймс Клерк Максуел, който обединил всички теоретични постижения до момента в стройна единна теория и открил електромагнитната природа на светлината.

В класическата електродинамика електромагнитното поле се описва от система от четири уравнения, известни като Уравнения на Максуел, а електромагнитната сила се подчинява на закон на Лоренц.

Една от особеностите на класическата теория на електромагнетизма, е че тя трудно се съгласува с класическата механика, но е в добро съгласие със специалната теория на относителността. - СТО.

Според уравненията на Максуел скоростта на светлината е универсална константа, зависеща единствено от диелектричната проницаемост и магнитната проницаемост на вакуума. Това е в противоречие с принципа на Галилей, че физическите закони са еднакви във всички инерциални координатни системи — основен принцип на класическата механика.

Една възможност двете теории да бъдат съгласувани е предположението за съществуване на "световен етер", през който се разпространява светлината. Опитите за експериментално потвърждение на етера (сред тях най-забележителен е опитът на Майкелсън) обаче са неуспешни.

През1905, Алберт Айнщайн решава противоречието като предлага своята специална теория на относителността, в която класическата кинематика се замества от нова, която е в съгласие с класическия електромагнетизъм.

Освен това специалната теория на относителността – СТО показва, че в движещи се координатни системи магнитното поле се трансформира в поле, което притежава различна от нула електрическа компонента, както и обратно, доказвайки по този начин, че това са две страни на едно и също явления — от там е и изразът електромагнетизъм.



Проблеми пред класическия електромагнетизъм


Обаче в друга своя статия от същата година Айнщайн поставя под въпрос самите основи на класическия електромагнетизъм. Теорията му за фотоелектричния ефект (за която получава Нобелова награда за физика) съдържа твърдението, че светлината може да съществува като дискретни порции, подобни на частици (кванти) които по-късно стават известни като фотони. Тази негова теория на фотоефекта увеличава напредъка, постигнат при решаването на проблема за "ултравиолетовата катастрофа" от Макс Планк през 1900. В своята работа Планк показва, че горещите обекти имат електромагнитно излъчване и то е на дискретни пакети, което води до извода, че от т.нар. абсолютно черно тяло се излъчва точно определено количество енергия - Закон на Планк.

Тези два резултата изпадат в директно противоречие с класическия възглед за светлината като непрекъсната вълна.

Теориите на Планк и Айнщайн пряко предшестват създаването на квантовата механика, формулирана през 1925. Квантовата механика е фундаментална физична теория, описваща поведението на елементарните частици. При тях тя замества класическата механика на Нютон и теорията на електромагнетизма, защото те не обясняват адекватно наблюдаваните явления на атомно и субатомно ниво.

Тази теория обаче се наложило да бъде последвана и от квантова теория на електромагнетизма, която е завършена през 40-те години на 20 век е известна като квантова електродинамика и е една от най-точните физически теории







Квантова електродинамика


Квантовата електродинамика е една от двете трактовки на електродинамиката, която на свой ред е дял от физиката.

Квантовата електродинамика е част от квантовата теория на полето, която се занимава с електромагнитните (фотонните) и електронно-позитронните полета и тяхното взаимодействие. Свързана е с откриването на квантовата механика и началото и е поставено в края на 20-те години на 20 век.

В основата ѝ лежи представата, че електромагнитното поле може да се разглежда като своеобразен газ от кванти на полето - фотони, а електроните и позитроните - като кванти на електро-позитронно поле.

Поради това, че константата на взаимодействието между тези две полета е достатъчно малка, се оказва възможно теорията да бъде така развита, че да води до проверими опитно количествени резултати. Това дава възможност подробно да се изучат теоретически редица процеси, чието класическо третиране не води до резултати, например: разсейване на фотони от свободни или слабо свързани електрони (Комптонов ефект), излъчване на фотони при взаимодействие на електрони или позитрони с електростатично поле (спирачно лъчение).

Особено важен резултат на квантовата електродинамика е получаването на преместване на енергичните нива на електрона в атома, дължащо се съгласно съвременните схващания на флуктуации на фотонното и електронно-позитронното поле. Квантовата електродинамика води до нови представи за вакуума, тоест за пространството, лишено от всякакви частици. Оказва се, че в него се раждат и унищожават фотони и електронно-позитронни двойки, т.е. вакуумът не е абсолютно празен.


...

Няма коментари:

Публикуване на коментар