Sähkömagneettinen kenttä - löytöhistoria ja fysikaaliset ominaisuudet

Sähköiset ja magneettiset ilmiöt ovat olleet ihmiskunnan tiedossa muinaisista ajoista lähtien, kunhan he näkivät salaman ja monet muinaiset ihmiset tiesivät magneeteista, jotka houkuttelevat tiettyjä metalleja. Bagdadin akku, joka keksittiin 4000 vuotta sitten, on yksi todiste siitä, että ihmiskunta käytti sähköä kauan ennen meidän päiviämme ja ilmeisesti tiesi kuinka se toimii. Kuitenkin uskotaan, että 1800-luvun alkuun asti sähköä ja magnetismia pidettiin aina erillään toisistaan, pidettiin toisiinsa liittymättöminä ja eri fysiikan aloihin kuuluvina ilmiöinä.

Magneettikentän tutkimus alkoi vuonna 1269, kun ranskalainen tiedemies Peter Peregrin (Knight Pierre of Mericourt) merkitsi magneettikentän pallomaisen magneetin pinnalle teräsneuloilla ja päätti, että tuloksena olevat magneettikenttäviivat leikkaavat kaksi pistettä, joita hän kutsui. "napat" analogisesti maan napojen kanssa.

Oersted kokeissaan vasta vuonna 1819.löysi kompassin neulan taipuman lähelle virtaa johtavaa johtoa, ja sitten tiedemies päätteli, että sähköisten ja magneettisten ilmiöiden välillä oli jokin yhteys.

5 vuotta myöhemmin, vuonna 1824, Ampere pystyi matemaattisesti kuvaamaan virtaa kuljettavan johtimen vuorovaikutusta magneetin kanssa sekä johtimien vuorovaikutusta keskenään, joten se ilmestyi Amperen laki: "Tasaiseen magneettikenttään sijoitettuun virtaa kuljettavaan johtoon vaikuttava voima on verrannollinen langan pituuteen, magneettinen induktiovektori, magneettisen induktiovektorin ja langan välisen kulman virta ja sini «.

Mitä tulee magneetin vaikutukseen virtaan, Ampere ehdotti, että kestomagneetin sisällä on mikroskooppisia suljettuja virtoja, jotka luovat magneetin magneettikentän, joka on vuorovaikutuksessa virtaa kuljettavan johtimen magneettikentän kanssa.

Toisen 7 vuoden kuluttua, vuonna 1831, Faraday löysi kokeellisesti sähkömagneettisen induktion ilmiön, eli hän onnistui toteamaan sähkömotorisen voiman esiintymisen johtimessa sillä hetkellä, kun muuttuva magneettikenttä vaikuttaa tähän johtimeen. Katso - sähkömagneettisen induktion ilmiön käytännön soveltaminen.

Esimerkiksi siirtämällä kestomagneettia lähelle johtoa, saat siihen sykkivän virran, ja kohdistamalla sykkivää virtaa yhteen keloista, yhteisessä rautasydämessä, jossa toinen kela sijaitsee, sykkivä virta tulee näkyvät myös toisessa kelassa.

33 vuotta myöhemmin, vuonna 1864, Maxwell onnistui tiivistämään jo tunnetut sähkö- ja magneettiset ilmiöt matemaattisesti – hän loi teorian sähkömagneettisesta kentästä, jonka mukaan sähkömagneettinen kenttä sisältää toisiinsa liittyvät sähkö- ja magneettikentät. Joten Maxwellin ansiosta tuli mahdolliseksi yhdistää tieteellisesti aikaisempien elektrodynamiikan kokeiden tulokset.

Seurauksena näistä Maxwellin tärkeistä päätelmistä on hänen ennusteensa, jonka mukaan periaatteessa minkä tahansa sähkömagneettisen kentän muutoksen on synnytettävä sähkömagneettisia aaltoja, jotka etenevät avaruudessa ja dielektrisessä väliaineessa tietyllä äärellisellä nopeudella, joka riippuu väliaineen magneettisesta ja dielektrisestä permittiivisyydestä. leviämiseen aaltoileva.

Tyhjiölle tämä nopeus osoittautui yhtä suureksi kuin valon nopeus, jonka yhteydessä Maxwell oletti valon olevan myös sähkömagneettinen aalto, ja tämä oletus vahvistettiin myöhemmin (vaikka Jung huomautti valon aaltoluonteesta jo kauan ennen Oerstedin kokeet).

Maxwell puolestaan ​​loi matemaattisen perustan sähkömagnetismille, ja vuonna 1884 Maxwellin kuuluisat yhtälöt ilmestyivät modernissa muodossa. Vuonna 1887 Hertz vahvisti Maxwellin teorian elektromagneettiset aallot: Vastaanotin poimii lähettimen lähettämät sähkömagneettiset aallot.

Klassinen sähködynamiikka käsittelee sähkömagneettisten kenttien tutkimusta.Kvanttielektrodynamiikan puitteissa sähkömagneettista säteilyä pidetään fotonivirtauksena, jossa sähkömagneettista vuorovaikutusta kuljettavat kantajahiukkaset — fotonit — massattomat vektoribosonit, jotka voidaan esittää sähkömagneettisen kentän alkeiskvanttiviritysnä. Siksi fotoni ON sähkömagneettisen kentän kvantti kvanttielektrodynamiikan näkökulmasta.

Sähkömagneettista vuorovaikutusta pidetään nykyään yhtenä fysiikan perustavanlaatuisista vuorovaikutuksista, ja sähkömagneettinen kenttä on yksi tärkeimmistä fysikaalisista kentistä gravitaatio- ja fermionisten kenttien ohella.

Sähkömagneettisen kentän fysikaaliset ominaisuudet

Sähkö- tai magneettikenttien tai molempien olemassaolo avaruudessa voidaan arvioida sähkömagneettisen kentän voimakkaan vaikutuksen perusteella varautuneeseen hiukkaseen tai virtaan.

Sähkökenttä vaikuttaa sekä liikkuviin että paikallaan oleviin sähkövarauksiin tietyllä voimalla riippuen sähkökentän voimakkuudesta tietyssä avaruuden pisteessä tietyllä hetkellä ja testivarauksen q suuruudesta.

Kun tiedetään voima (suuruus ja suunta), jolla sähkökenttä vaikuttaa testivaraukseen, ja kun tiedetään varauksen suuruus, voidaan löytää sähkökentän voimakkuus E tietyssä avaruuden pisteessä.

Sähkövaraukset synnyttävät sähkökentän, jonka voimalinjat alkavat positiivisista varauksista (ehdollisesti virtaavat niistä) ja päättyvät negatiivisiin varauksiin (ehdollisesti virtaavat niihin). Näin ollen sähkövaraukset ovat sähkökentän lähteitä. Toinen sähkökentän lähde on muuttuva magneettikenttä, joka on matemaattisesti todistettu Maxwellin yhtälöillä.

Sähkökentän puolelta sähkövaraukseen vaikuttava voima on osa voimaa, joka vaikuttaa tiettyyn varaukseen sähkömagneettisen kentän puolelta.

Magneettikenttä syntyy liikkuvista sähkövarauksista (virroista) tai ajassa muuttuvista sähkökentistä (kuten Maxwellin yhtälöistä nähdään) ja se vaikuttaa vain liikkuviin sähkövarauksiin.

Magneettikentän vaikutuksen voimakkuus liikkuvaan varaukseen on verrannollinen magneettikentän induktioon, liikkuvan varauksen suuruuteen, sen liikkeen nopeuteen ja magneettikentän B induktiovektorin välisen kulman siniin ja varauksen liikenopeuden suunta. Tätä voimaa kutsutaan usein Lorenzobache-voimaksi, joka on vain sen "magneettinen" osa.

Itse asiassa Lorentzin voima sisältää sähköisiä ja magneettisia komponentteja. Magneettikenttä syntyy liikkuvien sähkövarausten (virtojen) avulla, sen voimalinjat ovat aina suljettuja ja peittävät virran.