Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο - ιστορία ανακάλυψης και φυσικές ιδιότητες

Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα ήταν γνωστά στην ανθρωπότητα από την αρχαιότητα, αφού είδαν κεραυνούς και πολλοί αρχαίοι άνθρωποι γνώριζαν για μαγνήτες που έλκουν ορισμένα μέταλλα. Η μπαταρία της Βαγδάτης, που εφευρέθηκε πριν από 4000 χρόνια, είναι μια από τις αποδείξεις ότι η ανθρωπότητα χρησιμοποιούσε ηλεκτρική ενέργεια πολύ πριν από τις μέρες μας και προφανώς ήξερε πώς λειτουργούσε. Ωστόσο, πιστεύεται ότι μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός θεωρούνταν πάντα χωριστά το ένα από το άλλο, θεωρούνταν άσχετα φαινόμενα και ανήκαν σε διαφορετικούς κλάδους της φυσικής.

Η μελέτη του μαγνητικού πεδίου ξεκίνησε το 1269 όταν ο Γάλλος επιστήμονας Peter Peregrin (Ιππότης Pierre of Mericourt) σημάδεψε το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια ενός σφαιρικού μαγνήτη χρησιμοποιώντας ατσαλένιες βελόνες και προσδιόρισε ότι οι προκύπτουσες γραμμές μαγνητικού πεδίου τέμνονται σε δύο σημεία τα οποία ονόμασε «πόλοι» κατ’ αναλογία με τους πόλους της Γης.

Oersted στα πειράματά του μόλις το 1819.βρήκε την εκτροπή μιας βελόνας πυξίδας τοποθετημένη κοντά σε ένα καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα και στη συνέχεια ο επιστήμονας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι υπήρχε κάποια σύνδεση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.

5 χρόνια αργότερα, το 1824, το Ampere μπόρεσε να περιγράψει μαθηματικά την αλληλεπίδραση ενός σύρματος μεταφοράς ρεύματος με έναν μαγνήτη, καθώς και την αλληλεπίδραση των καλωδίων μεταξύ τους, έτσι φάνηκε Νόμος του Ampere: «Η δύναμη που ασκείται σε ένα σύρμα που μεταφέρει ρεύμα τοποθετημένο σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο είναι ανάλογη με το μήκος του σύρματος, διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής, ρεύμα και ημίτονο της γωνίας μεταξύ του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής και του σύρματος «.

Όσον αφορά την επίδραση ενός μαγνήτη σε ένα ρεύμα, ο Ampere πρότεινε ότι μέσα σε έναν μόνιμο μαγνήτη υπάρχουν μικροσκοπικά κλειστά ρεύματα που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη που αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα.

Μετά από άλλα 7 χρόνια, το 1831, ο Faraday ανακάλυψε πειραματικά το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δηλαδή κατάφερε να διαπιστώσει το γεγονός της εμφάνισης μιας ηλεκτροκινητικής δύναμης σε έναν αγωγό τη στιγμή που ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε αυτόν τον αγωγό. Κοίτα - πρακτική εφαρμογή του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Για παράδειγμα, μετακινώντας έναν μόνιμο μαγνήτη κοντά σε ένα καλώδιο, μπορείτε να πάρετε ένα παλμικό ρεύμα σε αυτό και εφαρμόζοντας ένα παλμικό ρεύμα σε ένα από τα πηνία, στον κοινό πυρήνα σιδήρου με τον οποίο βρίσκεται το δεύτερο πηνίο, ένα παλμικό ρεύμα θα εμφανίζονται επίσης στο δεύτερο πηνίο.

33 χρόνια αργότερα, το 1864, ο Maxwell κατάφερε να συνοψίσει ήδη γνωστά ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα μαθηματικά — δημιούργησε μια θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, σύμφωνα με την οποία το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο περιλαμβάνει διασυνδεδεμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Έτσι, χάρη στον Maxwell, κατέστη δυνατός ο επιστημονικός συνδυασμός των αποτελεσμάτων προηγούμενων πειραμάτων στην ηλεκτροδυναμική.

Συνέπεια αυτών των σημαντικών συμπερασμάτων του Maxwell είναι η πρόβλεψή του ότι, καταρχήν, οποιαδήποτε αλλαγή στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο πρέπει να παράγει ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στο χώρο και στα διηλεκτρικά μέσα με μια ορισμένη πεπερασμένη ταχύτητα που εξαρτάται από τη μαγνητική και διηλεκτρική διαπερατότητα του μέσου. για διάδοση κυματιστή.

Για ένα κενό, αυτή η ταχύτητα αποδείχθηκε ίση με την ταχύτητα του φωτός, σε σχέση με την οποία ο Maxwell υπέθεσε ότι το φως είναι επίσης ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, και αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε αργότερα (αν και ο Jung επεσήμανε την κυματική φύση του φωτός πολύ πριν από τον Oersted πειράματα).

Ο Μάξγουελ, από την άλλη, δημιούργησε τη μαθηματική βάση για τον ηλεκτρομαγνητισμό και το 1884 οι περίφημες εξισώσεις του Μάξγουελ εμφανίστηκαν σε σύγχρονη μορφή. Το 1887, ο Hertz επιβεβαίωσε τη θεωρία του Maxwell για Ηλεκτρομαγνητικά κύματα: Ο δέκτης θα πάρει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που στέλνει ο πομπός.

Η κλασική ηλεκτροδυναμική ασχολείται με τη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.Στο πλαίσιο της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θεωρείται ως μια ροή φωτονίων, στην οποία η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταφέρεται από σωματίδια φορέα — φωτόνια — διανυσματικά μποζόνια χωρίς μάζα, τα οποία μπορούν να αναπαρασταθούν ως στοιχειώδεις κβαντικές διεγέρσεις ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Επομένως, ένα φωτόνιο ΕΙΝΑΙ ένα κβάντο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από την άποψη της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση θεωρείται σήμερα μία από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στη φυσική και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι ένα από τα θεμελιώδη φυσικά πεδία μαζί με τα βαρυτικά και φερμιονικά πεδία.

Φυσικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου

Η παρουσία ηλεκτρικών ή μαγνητικών πεδίων ή και των δύο στο διάστημα μπορεί να κριθεί από την ισχυρή δράση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα φορτισμένο σωματίδιο ή σε ένα ρεύμα.

Το ηλεκτρικό πεδίο δρα σε ηλεκτρικά φορτία, κινούμενα και ακίνητα, με μια ορισμένη δύναμη, ανάλογα με την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου σε μια δεδομένη στιγμή και από το μέγεθος του φορτίου δοκιμής q.

Γνωρίζοντας τη δύναμη (μέγεθος και κατεύθυνση) με την οποία το ηλεκτρικό πεδίο δρα στο φορτίο δοκιμής και γνωρίζοντας το μέγεθος του φορτίου, μπορεί να βρεθεί η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου Ε σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου.

Ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται από ηλεκτρικά φορτία, οι γραμμές δύναμής του ξεκινούν από θετικά φορτία (υπό όρους ρέουν από αυτά) και τελειώνουν σε αρνητικά φορτία (υπό όρους ρέουν σε αυτά). Έτσι, τα ηλεκτρικά φορτία είναι πηγές ηλεκτρικού πεδίου. Μια άλλη πηγή του ηλεκτρικού πεδίου είναι το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο αποδεικνύεται μαθηματικά από τις Εξισώσεις του Maxwell.

Η δύναμη που ασκείται σε ένα ηλεκτρικό φορτίο από την πλευρά του ηλεκτρικού πεδίου είναι μέρος της δύναμης που ασκείται σε ένα δεδομένο φορτίο από την πλευρά του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία (ρεύματα) ή από χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά πεδία (όπως φαίνεται στις εξισώσεις του Maxwell) και δρα μόνο στα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία.

Η ισχύς της δράσης του μαγνητικού πεδίου σε ένα κινούμενο φορτίο είναι ανάλογη με την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου, το μέγεθος του κινούμενου φορτίου, την ταχύτητα της κίνησης του και το ημίτονο της γωνίας μεταξύ του διανύσματος επαγωγής του μαγνητικού πεδίου Β και την κατεύθυνση της ταχύτητας κίνησης του φορτίου. Αυτή η δύναμη αναφέρεται συχνά ως δύναμη Lorenzobache είναι μόνο το «μαγνητικό» μέρος της.

Στην πραγματικότητα, η δύναμη Lorentz περιλαμβάνει ηλεκτρικά και μαγνητικά στοιχεία. Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία (ρεύματα), οι γραμμές δύναμής του είναι πάντα κλειστές και καλύπτουν το ρεύμα.