Elektromágneses tér - a felfedezés története és a fizikai tulajdonságok

Az elektromos és mágneses jelenségeket ősidők óta ismeri az emberiség, elvégre láttak villámokat, és sok ókori ember tudott a mágnesekről, amelyek vonzzák az egyes fémeket. A 4000 évvel ezelőtt feltalált bagdadi akkumulátor az egyik bizonyítéka annak, hogy az emberiség már jóval napjaink előtt használt elektromosságot, és nyilvánvalóan tudta, hogyan működik. A feltételezések szerint azonban a 19. század elejéig az elektromosságot és a mágnesességet mindig egymástól elkülönülten, egymástól független jelenségnek tekintették, és a fizika különböző ágaihoz tartozónak tekintették.

A mágneses tér tanulmányozása 1269-ben kezdődött, amikor Peter Peregrin francia tudós (Pierre of Mericourt lovag) acéltűkkel megjelölte a mágneses teret egy gömbmágnes felületén, és megállapította, hogy az így létrejövő mágneses erővonalak két pontban metszik egymást, amelyeket ő ún. „pólusok” a Föld pólusaihoz hasonló módon.

Oersted csak 1819-ben vett részt kísérleteiben.áramvezető vezeték közelében elhelyezett iránytű elhajlását találta, majd a tudós arra a következtetésre jutott, hogy van valami kapcsolat az elektromos és a mágneses jelenségek között.

5 évvel később, 1824-ben Ampere képes volt matematikailag leírni az áramot vezető vezeték és a mágnes kölcsönhatását, valamint a vezetékek egymás közötti kölcsönhatását, így jelent meg Ampere törvénye: "Az egyenletes mágneses térben elhelyezett áramvezető vezetékre ható erő arányos a vezeték hosszával, mágneses indukciós vektor, áram és a mágneses indukciós vektor és a vezeték közötti szög szinusza «.

A mágnes áramra gyakorolt ​​hatásával kapcsolatban Ampere azt javasolta, hogy az állandó mágnes belsejében mikroszkopikus zárt áramok vannak, amelyek létrehozzák a mágnes mágneses mezőjét, amely kölcsönhatásba lép az áramot vezető vezető mágneses mezőjével.

További 7 év elteltével, 1831-ben Faraday kísérleti úton felfedezte az elektromágneses indukció jelenségét, vagyis sikerült megállapítania az elektromotoros erő megjelenésének tényét egy vezetőben abban a pillanatban, amikor a változó mágneses tér erre a vezetőre hat. Néz - az elektromágneses indukció jelenségének gyakorlati alkalmazása.

Például egy állandó mágnest egy vezeték közelébe mozgatva pulzáló áramot kaphat benne, és ha pulzáló áramot vezetünk az egyik tekercsre, azon a közös vasmagon, amelynél a második tekercs található, pulzáló áram jön létre. a második tekercsben is megjelennek.

33 évvel később, 1864-ben Maxwellnek sikerült matematikailag összefoglalnia a már ismert elektromos és mágneses jelenségeket – megalkotta az elektromágneses tér elméletét, amely szerint az elektromágneses mező összefüggő elektromos és mágneses mezőket foglal magában. Így Maxwellnek köszönhetően lehetővé vált a korábbi elektrodinamikai kísérletek eredményeinek tudományos kombinálása.

Maxwell e fontos következtetéseinek következménye az a jóslata, miszerint elvileg az elektromágneses tér bármely változásának elektromágneses hullámokat kell generálnia, amelyek a térben és a dielektromos közegben olyan véges sebességgel terjednek, amely a közeg mágneses és dielektromos áteresztőképességétől függ. terjedésére hullámos.

Vákuumnál ez a sebesség egyenlőnek bizonyult a fénysebességgel, amellyel kapcsolatban Maxwell azt feltételezte, hogy a fény is elektromágneses hullám, és ez a feltételezés később be is igazolódott (bár Jung már jóval Oersted előtt mutatott rá a fény hullámtermészetére kísérletek).

Maxwell ezzel szemben megteremtette az elektromágnesesség matematikai alapját, és 1884-ben Maxwell híres egyenletei modern formában jelentek meg. 1887-ben Hertz megerősítette Maxwell elméletét elektromágneses hullámok: A vevő felveszi az adó által küldött elektromágneses hullámokat.

A klasszikus elektrodinamika az elektromágneses terek vizsgálatával foglalkozik.A kvantumelektrodinamika keretében az elektromágneses sugárzást fotonok áramlásának tekintjük, amelyben az elektromágneses kölcsönhatást hordozó részecskék — fotonok — tömeg nélküli vektorbozonok hordozzák, amelyek egy elektromágneses tér elemi kvantumgerjesztéseként ábrázolhatók. Ezért a foton a kvantumelektrodinamika szempontjából az elektromágneses mező kvantuma.

Az elektromágneses kölcsönhatás ma a fizika egyik alapvető kölcsönhatása, az elektromágneses tér pedig az egyik alapvető fizikai mező a gravitációs és fermionikus mezőkkel együtt.

Az elektromágneses tér fizikai tulajdonságai

Az elektromos vagy mágneses mezők, vagy mindkettő térbeli jelenléte az elektromágneses térnek egy töltött részecskére vagy áramra gyakorolt ​​erős hatásából ítélhető meg.

Az elektromos tér mozgásban lévő és álló elektromos töltésekre egy bizonyos erővel hat, a tér adott pontjában adott időpontban fellépő elektromos tér erősségétől és a q próbatöltés nagyságától függően.

Ismerve azt az erőt (nagyságát és irányát), amellyel az elektromos tér hat a vizsgált töltésre, valamint a töltés nagyságának ismeretében meg lehet találni az E elektromos térerősséget a tér adott pontjában.

Elektromos töltések hoznak létre elektromos teret, erővonalai pozitív töltéseknél kezdődnek (feltételesen áradnak belőlük), és negatív töltéseknél érnek véget (feltételesen áramlik beléjük). Így az elektromos töltések az elektromos tér forrásai. Az elektromos tér másik forrása a változó mágneses tér, amit a Maxwell-egyenletek matematikailag igazolnak.

Az elektromos töltésre az elektromos tér felől ható erő része az elektromágneses tér felől adott töltésre ható erőnek.

A mágneses mezőt mozgó elektromos töltések (áramok) vagy időben változó elektromos mezők (ahogyan ez a Maxwell-egyenletekben látható) hozzák létre, és csak a mozgó elektromos töltésekre hat.

A mágneses tér mozgó töltésre gyakorolt ​​hatásának erőssége arányos a mágneses tér indukciójával, a mozgó töltés nagyságával, mozgásának sebességével és a B mágneses tér indukciós vektora közötti szög szinuszával. és a töltés mozgási sebességének iránya. Ezt az erőt gyakran Lorenzobache-erőnek nevezik, és csak a „mágneses” része.

Valójában a Lorentz-erő elektromos és mágneses alkatrészeket foglal magában. A mágneses tér mozgó elektromos töltések (áramok) hatására jön létre, erővonalai mindig zártak és lefedik az áramot.