 | Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . ( Ноябрь 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
Электромагнетизм - это раздел физики, связанный с изучением электромагнитной силы , типа физического взаимодействия, которое происходит между электрически заряженными частицами. Электромагнитная сила переносится электромагнитными полями, состоящими из электрических полей и магнитных полей , и отвечает за электромагнитное излучение, такое как свет . Это одно из четырех фундаментальных взаимодействий (обычно называемых силами) в природе , наряду с сильным взаимодействием , слабым взаимодействием., и гравитация . [1] При высокой энергии слабая сила и электромагнитная сила объединяются в одну электрослабую силу .
Электромагнитные явления определяются в терминах электромагнитной силы, иногда называемой силой Лоренца , которая включает 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 атомными ядрами и их орбитальными электронами удерживает атомы вместе. Электромагнитные силы отвечают за химические связи между атомами, которые создают молекулы , и межмолекулярные силы.. Электромагнитная сила управляет всеми химическими процессами, которые возникают в результате взаимодействия электронов соседних атомов. Электромагнетизм очень широко используется в современной технике, а теория электромагнетизма лежит в основе электроэнергетики и электроники, включая цифровые технологии.
Существует множество математических описаний электромагнитного поля . Наиболее заметно, что 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 диэлектрическую проницаемость ), привели к разработке специальной теории относительности с помощью Альберта Эйнштейна в 1905 году.
История теории
Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Это мнение изменилось с публикацией « Трактата об электричестве и магнетизме» Джеймса Клерка Максвелла 1873 года, в котором было показано, что взаимодействия положительных и отрицательных зарядов опосредуются одной силой. Эти взаимодействия приводят к четырем основным эффектам, и все они четко продемонстрированы экспериментами:
- Электрические заряды притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной 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.
Готовясь к вечерней лекции 21 апреля 1820 года, Ганс Христиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Укладывая материалы, он заметил, что стрелка компаса отклоняется от магнитного севера, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение убедило его, 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. CGS единица магнитной индукции ( Эрстеды ) назван в честь его вклада в области электромагнетизма.
Его открытия привели к интенсивным исследованиям в области электродинамики в научном сообществе . Они повлияли на разработку французским физиком Андре-Мари Ампера 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 , расширил Джеймс Клерк Максвелл и частично переформулировали Оливер Хевисайд и Генрих Герц , является одним из ключевых достижений математической физики XIX века . [2] Это имело далеко идущие последствия, одним из которых было понимание природы света . В отличие от того, что предлагалось в электромагнитной теории того времени, свет и другие электромагнитные волны в настоящее время рассматриваются как принимающие форму квантованных , самораспространяющихся колебательных возмущений электромагнитного поля, называемых фотонами.. Различные частоты колебаний порождают различные формы электромагнитного излучения : от радиоволн на самых низких частотах до видимого света на промежуточных частотах и до гамма-лучей на самых высоких частотах.
Эрстед был не единственным человеком, исследовавшим взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году итальянский ученый-юрист Джан Доменико Романьози отклонил магнитную стрелку, используя вольтовский стержень. 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 современное научное сообщество не обратило на него внимания, поскольку Ромагнози, по-видимому, не принадлежал к этому сообществу. [3]
О более ранней (1735 г.) и часто игнорируемой связи между электричеством и магнетизмом сообщил доктор Куксон. [4] В сообщении 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, взявшие ножи, которые лежали на гвоздях, заметили, что ножи забрали 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 ...
В 1910 г. Е.Т. Уиттакер предположил, что именно этому событию приписывают молнию «силу намагничивания стали; несомненно, именно это привело Франклина в 1751 г. к попытке намагнитить швейную иглу с помощью разряда лейденских сосудов. . " [5]
Фундаментальные силы
Электромагнитная сила - одна из четырех известных фундаментальных сил . Другие фундаментальные силы:
- сильные ядерные силы , который связывает кварки с образованием нуклонов , и связывают нуклоны с образованием ядер .
- слабая ядерная сила , которая связывает все известные частицы в Стандартной модели , и вызывает определенные формы радиоактивного распада . (В физике элементарных частиц , хотя, электрослабое взаимодействие представляет собой единое описание двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизм и слабое взаимодействие);
- сила тяготения .
Все другие силы (например, трение , контактные силы) являются производными от этих четырех основных сил, 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 взаимодействиях между атомами, можно объяснить электромагнитной силой, действующей между электрически заряженными атомными ядрами и электронами 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 межмолекулярных сил , действующих между отдельными молекулами.в наших телах и в объектах. Электромагнитная сила также участвует во всех формах химических явлений .
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. Когда набор электронов становится более ограниченным, их минимальный импульс обязательно увеличивается из-за принципа 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 году Уильям Гилберт в своей книге De Magnete предположил , что электричество и магнетизм, хотя и способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются различными эффектами. Моряки заметили, что удары молнии могут повредить стрелку компаса. Связь между молнией и электричеством не была подтверждена до экспериментов, предложенных Бенджамином Франклином в 1752 году. Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между искусственным электрическим током и магнетизмом, был Джан Ромагнози , который в 1802 году заметил, что соединение провода поперек гальваническая свая отклоняется близлежащий компасиголка. 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 , была разработана различными физиками в период между 1820 и 1873 г. , когда она завершилась публикация трактата по Джеймс Клерк Максвелл , который объединил предыдущие разработки в единую теорию и обнаружила электромагнитную природу света. [9] В классическом электромагнетизме поведение электромагнитного поля описывается системой уравнений, известных как уравнения Максвелла , а электромагнитная сила задается законом силы Лоренца . [10]
Одна из особенностей классического электромагнетизма состоит в том, что его трудно согласовать с классической механикой , но он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, то скорость света в вакууме является универсальной константой , которая зависит только от электрической проницаемости и магнитной проницаемости в свободном пространстве . Это нарушает галилееву инвариантность , давнюю краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить две теории (электромагнетизм и классическую механику) - это предположить существование светоносного эфира.через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные попытки обнаружить присутствие эфира не удалось. После важных вкладов Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в 1905 году Альберт Эйнштейн решил проблему, введя специальную теорию относительности, которая заменила классическую кинематику новой теорией кинематики, совместимой с классическим электромагнетизмом. (Для получения дополнительной информации см. Историю 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
Уравнения Максвелла линейны, так как изменение источников (зарядов и токов) приводит к пропорциональному изменению полей. Нелинейная динамика может возникать, когда электромагнитные поля взаимодействуют с веществом, которое подчиняется нелинейным динамическим законам. Это изучается, например, в предмете магнитогидродинамики , которая объединяет теорию Максвелла с уравнениями Навье – Стокса .
Количество и единицы
Электромагнитные единицы являются частью системы электрических единиц, основанной в первую очередь на магнитных свойствах электрических токов, 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 электромагнитной системе КГС электрический ток является фундаментальной величиной, определяемой законом Ампера, и принимает проницаемость как безразмерную величину (относительную проницаемость), значение которой в вакууме равно единице . Как следствие, квадрат скорости света явно появляется в некоторых уравнениях, связывающих величины в этой системе.
Единицы электромагнетизма СИ | ||||
|---|---|---|---|---|
| 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 на квадратный метр | А / м 2 | A⋅m −2 |
| U , Δ V , Δ φ ; E | разность потенциалов ; электродвижущая сила | вольт | V | Дж / Кл = кг⋅м 2 ⋅с −3 A −1 |
| R ; Z ; Икс | электрическое сопротивление ; импеданс ; реактивное сопротивление | ом | Ω | V / A = кг⋅м 2 ⋅с −3 A −2 |
| ρ | удельное сопротивление | ом метр | Ом⋅м | кг⋅м 3 ⋅с −3 ⋅A −2 |
| п | электроэнергия | ватт | W | V⋅A = кг⋅м 2 ⋅с −3 |
| C | емкость | фарад | F | C / V = кг −1 m −2 ⋅A 2 ⋅s 4 |
| Φ E | электрический поток | вольт метр | V⋅m | кг⋅м 3 ⋅с −3 ⋅A −1 |
| E | электрическое поле силы | вольт на метр | В / м | N / C = кг⋅м⋅A −1 ⋅s −3 |
| D | электрическое поле смещения | кулон на квадратный метр | С / м 2 | A⋅s⋅m −2 |
| ε | диэлектрическая проницаемость | фарад на метр | Ф / м | кг −1 m −3 ⋅A 2 ⋅s 4 |
| χ e | электрическая восприимчивость | ( безразмерный ) | 1 | 1 |
| G ; Y ; B | проводимость ; вход ; восприимчивость | Сименс | S | Ω −1 = кг −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2 |
| κ , γ , σ | проводимость | сименс на метр | См / м | кг −1 m −3 ⋅s 3 ⋅A 2 |
| B | плотность магнитного потока, магнитная индукция | тесла | Т | Вт / м 2 = кг⋅с −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1 |
| Ф , Ф М , Ф В | магнитный поток | Вебер | Wb | V⋅s = кг⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1 |
| ЧАС | Магнитное поле силы | ампер на метр | Являюсь | A⋅m −1 |
| L , M | индуктивность | Генри | ЧАС | Wb / A = V⋅s / A = кг⋅м 2 ⋅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 корректировать в зависимости от того, какую систему единиц измерения вы используете. Это связано с тем, что нет однозначного соответствия между электромагнитными единицами в системе СИ и единицами измерения в системе координат, как в случае механических единиц. Кроме того, в CGS существует несколько возможных вариантов электромагнитных единиц, что приводит к различным «подсистемам» единиц, включая Gaussian , ESU, EMU и Heaviside – Lorentz . Среди этих вариантов гауссовы единицы являются наиболее распространенными сегодня, и фактически фраза «единицы CGS» часто используется для обозначения конкретно единиц CGS-Gaussian .
Смотрите также
- Сила Абрахама – Лоренца
- Аэромагнитные исследования
- Вычислительная электромагнетизм
- Двухщелевой эксперимент
- Электромагнит
- Электромагнитная индукция
- Уравнение электромагнитной волны
- Электромагнитное рассеяние
- Электромеханика
- Геофизика
- Введение в электромагнетизм
- Магнитостатика
- Магнитоквазистатическое поле
- Оптика
- Релятивистский электромагнетизм
- Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана
Рекомендации
- ^ Ravaioli, Фовас T Улаби, Эрик Michielssen, Умберто (2010). Основы прикладной электромагнетизма (6-е изд.). Бостон: Прентис Холл. п. 13 . ISBN 978-0-13-213931-1.
- ^ Дарригол, Оливье (2000). Электродинамика от Ампера до Эйнштейна . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0198505949.
- ^ 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 оригинального (PDF) 30 мая 2013 года . Проверено 2 декабря 2010 .
- ^ VIII. Описание необычного эффекта молнии в передаче магнетизма. Сообщение предоставлено Пирсом Додом, MDFRS от доктора Куксона из Уэйкфилда, Йоркшир. Фил. Пер. 1735 39, 74-75, опубликовано 1 января 1735 г.
- Перейти ↑ Whittaker, ET (1910). История теорий эфира и электричества от эпохи Декарта до конца девятнадцатого века . Longmans, Green and Company.
- ^ Браун, "Физика для инженерии и науки", стр. 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 ».
- ^ Перселл, "Электричество и магнетизм, 3-е издание", стр. 546: Глава 11 Раздел 6, «Электронный спин и магнитный момент».
- ^ Стерн, доктор Дэвид П .; Передо, Маурисио (2001-11-25). «Магнитные поля - история» . Центр космических полетов имени Годдарда НАСА . Проверено 27 ноября 2009 .
- ^ Перселл, стр. 436. Глава 9.3, «Описание Максвеллом электромагнитного поля было по существу полным».
- ^ Перселл: стр. 278: Глава 6.1, «Определение магнитного поля». Сила Лоренца и уравнение силы.
- ^ Международный союз чистой 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.
дальнейшее чтение
Интернет-источники
- Наве Р. "Электричество и магнетизм" . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 12 ноября 2013 .
- Хуторянский, Э. «Электромагнетизм - законы Максвелла» . Проверено 28 декабря 2014 .
Учебники
- ГАГ 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). Пособие для студентов по уравнениям Максвелла . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-70147-1.
- IS Grant; WR 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). Основы электромагнетизма и материалов . 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, 820с. (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк. ISBN 978-1-107-01402-2.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- 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.). WH Freeman. ISBN 978-1-57259-492-0.
- Wangsness, Roald K .; Клауд, Майкл Дж. (1986). Электромагнитные поля (2-е изд.). Вайли. ISBN 978-0-471-81186-2.
Общие ссылки
- А. Бейзер (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 WB Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5.
- Р.Г. Лернер; Г.Л. Тригг (2005). Энциклопедия физики (2-е изд.). Издательство VHC, Ханс Варлимонт, Springer. С. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4.
- JB Marion; У. Ф. Хорняк (1984). Принципы физики . Международный колледж Сондерса Холт-Сондерс. ISBN 978-4-8337-0195-2.
- HJ Pain (1983). Физика колебаний и волн (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-90182-2.
- CB Parker (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.). ISBN WH Freeman and Co. 978-1-4292-0265-7.
- PM Уилан; MJ Hodgeson (1978). Основные принципы физики (2-е изд.). Джон Мюррей. ISBN 978-0-7195-3382-2.
внешняя ссылка
 | В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: электромагнетизмом |
| Библиотечные ресурсы по электромагнетизму |
|
- Конвертер напряженности магнитного поля
- Электромагнитная сила - из книги Эрика Вайсштейна "Мир физики"
- Отклонение стрелки магнитного компаса током в проводе (видео) на YouTube
