Электромагнитное взаимодействие

Электромагни́тное взаимоде́йствие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом^[1]. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля^[2] электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W^± бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого^[3] и сильного^[4] взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой.

Основные формулы классической электродинамики

На проводник с током $I$ длиной $\Delta \vec{l}$, помещенный в магнитное поле с индукцией $\vec{B}$, действует сила Ампера:

$\vec{F}_A = I \cdot [\Delta \vec{l} \times \vec{B}]$

На заряженную частицу с зарядом $q$, движущуюся со скоростью $\vec{V}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, действует сила Лоренца:

$\vec{F}_L = q \cdot [\vec{V} \times \vec{B}]$

История теории

Ганс Христиан Эрстед

Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы Джеймса Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму», в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекта, следующие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:

1. Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
2. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) привлекают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда идут парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного.
3. Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг провода, направленное (по или против часовой стрелки) в зависимости от течения тока.
4. Ток индуцируется в петле провода, когда он сдвигается ближе или дальше относительно магнитного поля или магнит перемещается ближе или дальше от петли провода; направление тока зависит от направления этих перемещений.

Андре-Мари Ампер

Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, Ганс Христиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он занимался подборкой материала, то заметил, что стрелка компаса отклоняется от северного магнитного полюса, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля исходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяется в пространстве свет и тепло, и что опыт указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.

Майкл Фарадей

На момент открытия, Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался представить явление в математических выкладках. Однако, три месяца спустя, он стал проводить более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал результаты своих исследований, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течёт по проводам. В системе СГС единицу электромагнитной индукции (Э) назвали в честь его вклада в область электромагнетизма.

Джеймс Клерк Максвелл

Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию электродинамики мировым научным сообществом. К 1820 году относятся также работы Доминика Франсуа Араго, который заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив её в катушку и разрядив лейденскую банку через катушку. Независимо от Араго намагничивание стали и железа током было открыто Дэви. Первые количественные определения действия тока на магнит точно так же относятся к 1820 году и принадлежат французским учёным Жан-Батисту Био и Феликсу Савару^[5]. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика Андре-Мари Ампера, представившего электромагнитную закономерность между проводником и током в математической форме. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции энергии.

Это единство, которое было обнаружено Майклом Фарадеем, дополнено Джеймсом Максвеллом, а также уточнено Оливером Хевисайдом и Генрихом Герцем, является одним из ключевых достижений XIX столетия в математической физике. У этого открытия были далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы света. Свет и другие электромагнитные волны принимают форму квантованных самораспространяющихся колебательных явлений электромагнитного поля, названных фотонами. Различные частоты колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от радиоволн на низких частотах, к видимому свету на средних частотах, к гамма-лучам на высоких частотах.

Эрстед не был единственным человеком, открывшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джованни Доменико Романьози, итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но, фактически, в исследованиях Романьози не применялся гальванический элемент и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчёт об открытии были опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в основном проигнорирован научным сообществом того времени^[6].

См. также

• Электромагнитные колебания
• Теория всего

Примечания

1. ↑ В том числе электромагнитное взаимодействие и между электрически нейтральными в целом частицами (то есть, когда их суммарный заряд ноль), но составные части которых обладают зарядами, так что взаимодействие не сводится к нулю, хотя и быстро убывает с расстоянием. Например, нейтрон — нейтральная частица, однако он содержит в своём составе заряженные кварки и потому участвует в электромагнитном взаимодействии (в частности, обладает ненулевым магнитным моментом).
2. ↑ Раздел квантовой теории поля, описывающий электромагнитное взаимодействие носит название квантовой электродинамики. Это образцовый, наиболее хорошо разработанный и поддающийся расчёту раздел квантовой теории поля, и вообще одна из наиболее успешных и точных — в смысле экспериментального подтверждения — областей теоретической физики.
3. ↑ Слабое взаимодействие быстро убывает из-за массивности его переносчика — векторного W или Z бозона.
4. ↑ Сильное взаимодействие между кварками спадает с расстоянием ещё гораздо медленнее, а точнее, судя по всему, его сила вообще с расстоянием не спадает; однако все известные частицы, наблюдаемые в свободном состоянии, нейтральны в отношении «сильного заряда» — цвета — так как или совсем не содержат кварков, или включают несколько кварков, сумма цветов которых равна нулю, поэтому в основном поле сильного взаимодействия — глюонное поле — сосредоточено между «цветными» кварками — внутри составной частицы, а его «остаточная часть», распространяющаяся вовне — очень мала и быстро спадает.
5. ↑ Электромагнетизм // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
6. ↑  (англ.) Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity // Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times. — Università degli Studi di Pavia. — Vol. vol. 3. — P. 81–102.

Литература

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Краткий курс теоретической физики. В 2-х т. — М.: Наука, 1972. — Т. II. Квантовая механика. — 368 с.

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставив сноски, внести более точные указания на источники.