שדה אלקטרומגנטי - היסטוריה של גילוי ותכונות פיזיקליות

תופעות חשמליות ומגנטיות היו מוכרות לאנושות עוד מימי קדם, אחרי הכל הם ראו ברק ואנשים קדומים רבים ידעו על מגנטים שמושכים מתכות מסוימות. סוללת בגדד, שהומצאה לפני 4000 שנה, היא אחת ההוכחות לכך שהאנושות השתמשה בחשמל הרבה לפני ימינו וברור שידעה איך זה עובד. עם זאת, מאמינים שעד תחילת המאה ה-19, חשמל ומגנטיות נחשבו תמיד בנפרד זה מזה, נחשבו כתופעות שאינן קשורות ושייכות לענפים שונים של הפיזיקה.

חקר השדה המגנטי החל בשנת 1269 כאשר המדען הצרפתי פיטר פרגרין (האביר פייר ממריקור) סימן את השדה המגנטי על פני מגנט כדורי באמצעות מחטי פלדה וקבע שקווי השדה המגנטי שהתקבלו מצטלבים בשתי נקודות שאותן כינה. "קטבים" באנלוגיה לקטבים של כדור הארץ.

אורסטד בניסויים שלו רק ב-1819.מצא את הסטייה של מחט מצפן המונחת ליד חוט נושא זרם, ואז המדען הגיע למסקנה שיש קשר כלשהו בין תופעות חשמליות למגנטיות.

5 שנים מאוחר יותר, בשנת 1824, אמפר הצליח לתאר מתמטית את האינטראקציה של חוט נושא זרם עם מגנט, כמו גם את האינטראקציה של חוטים זה עם זה, כך נראה חוק אמפר: "הכוח הפועל על חוט נושא זרם המוצב בשדה מגנטי אחיד הוא פרופורציונלי לאורך החוט, וקטור אינדוקציה מגנטי, זרם וסינוס של הזווית בין וקטור האינדוקציה המגנטי לחוט «.

לגבי השפעת מגנט על זרם, אמפר הציע שבתוך מגנט קבוע ישנם זרמים סגורים מיקרוסקופיים היוצרים שדה מגנטי של המגנט באינטראקציה עם השדה המגנטי של מוליך נושא זרם.

לאחר 7 שנים נוספות, בשנת 1831, גילה פאראדיי בניסוי את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, כלומר, הוא הצליח לבסס את עובדת הופעתו של כוח אלקטרו-מוטיבי במוליך ברגע בו פועל על מוליך זה שדה מגנטי משתנה. תראה - יישום מעשי של תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית.

לדוגמה, על ידי הזזת מגנט קבוע ליד חוט, ניתן לקבל בו זרם פועם, ועל ידי הפעלת זרם פועם על אחד הסלילים, על ליבת הברזל המשותפת שאיתה נמצא הסליל השני, זרם פועם מופיעים גם בסליל השני.

33 שנים מאוחר יותר, ב-1864, הצליח מקסוול לסכם תופעות חשמליות ומגנטיות ידועות כבר באופן מתמטי - הוא יצר תיאוריה של השדה האלקטרומגנטי, לפיה השדה האלקטרומגנטי כולל שדות חשמליים ומגנטיים מחוברים זה לזה. אז, הודות למקסוול, אפשר היה לשלב באופן מדעי את התוצאות של ניסויים קודמים באלקטרודינמיקה.

תוצאה של מסקנות חשובות אלה של מקסוול היא התחזית שלו, שבאופן עקרוני, כל שינוי בשדה האלקטרומגנטי חייב ליצור גלים אלקטרומגנטיים המתפשטים בחלל ובמדיה דיאלקטרית במהירות סופית מסוימת התלויה ברשות המגנטית והדיאלקטרית של המדיום. להתפשטות גלי.

עבור ואקום, מהירות זו התבררה כשווה למהירות האור, שבקשר אליה הניח מקסוול שהאור הוא גם גל אלקטרומגנטי, והנחה זו אושרה מאוחר יותר (אם כי יונג הצביע על אופי הגל של האור הרבה לפני אורסטד. ניסויים).

מקסוול, לעומת זאת, יצר את הבסיס המתמטי לאלקטרומגנטיות, ובשנת 1884 הופיעו המשוואות המפורסמות של מקסוול בצורה מודרנית. בשנת 1887, הרץ אישר את התיאוריה של מקסוול על גלים אלקטרומגנטיים: המקלט יקלוט את הגלים האלקטרומגנטיים שנשלחים על ידי המשדר.

אלקטרודינמיקה קלאסית עוסקת בחקר שדות אלקטרומגנטיים.במסגרת האלקטרודינמיקה הקוונטית, קרינה אלקטרומגנטית נחשבת כזרימה של פוטונים, שבה האינטראקציה האלקטרומגנטית נישאת על ידי חלקיקי נשאים - פוטונים - בוזונים וקטוריים חסרי מסה, אשר יכולים להיות מיוצגים כעירורים קוונטיים יסודיים של שדה אלקטרומגנטי. לכן, פוטון הוא קוונטי של השדה האלקטרומגנטי מנקודת המבט של האלקטרודינמיקה הקוונטית.

האינטראקציה האלקטרומגנטית נחשבת היום לאחת מאינטראקציות היסוד בפיזיקה, והשדה האלקטרומגנטי הוא אחד מהשדות הפיזיקליים הבסיסיים יחד עם שדות הכבידה והפרמיוניים.

תכונות פיזיקליות של השדה האלקטרומגנטי

ניתן לשפוט את נוכחותם של שדות חשמליים או מגנטיים או שניהם בחלל לפי הפעולה החזקה של השדה האלקטרומגנטי על חלקיק טעון או על זרם.

השדה החשמלי פועל על מטענים חשמליים, נעים ונייחים, בכוח מסוים, בהתאם לעוצמת השדה החשמלי בנקודה נתונה בחלל בזמן נתון ובגודל מטען הבדיקה q.

לדעת את הכוח (גודל וכיוון) שבו פועל השדה החשמלי על מטען הבדיקה, ולדעת את גודל המטען, ניתן למצוא את עוצמת השדה החשמלי E בנקודה נתונה במרחב.

שדה חשמלי נוצר ממטענים חשמליים, קווי הכוח שלו מתחילים במטענים חיוביים (זורמים מהם בתנאי) ומסתיימים במטענים שליליים (זורמים אליהם בתנאי). לפיכך, מטענים חשמליים הם מקורות לשדה חשמלי. מקור נוסף לשדה החשמלי הוא השדה המגנטי המשתנה, אשר מוכח מתמטית על ידי משוואות מקסוול.

הכוח הפועל על מטען חשמלי מצד השדה החשמלי הוא חלק מהכוח הפועל על מטען נתון מצד השדה האלקטרומגנטי.

שדה מגנטי נוצר על ידי הזזת מטענים חשמליים (זרמים) או על ידי שדות חשמליים משתנים בזמן (כפי שניתן לראות במשוואות מקסוול) ופועל רק על מטענים חשמליים הנעים.

עוצמת פעולת השדה המגנטי על מטען נע פרופורציונלית להשראת השדה המגנטי, גודל המטען הנע, מהירות תנועתו והסינוס של הזווית בין וקטור האינדוקציה של השדה המגנטי B. וכיוון מהירות התנועה של המטען. כוח זה מכונה לעתים קרובות ככוח לורנצובאצ'ה הוא רק החלק ה"מגנטי" שלו.

למעשה, כוח לורנץ כולל רכיבים חשמליים ומגנטיים. השדה המגנטי נוצר על ידי הזזת מטענים חשמליים (זרמים), קווי הכוח שלו תמיד סגורים ומכסים את הזרם.