Електромагнитно поле — история на откриване и физични свойства

Електрическите и магнитните явления са били известни на човечеството от древни времена, в края на краищата те са видели мълнии и много древни хора са знаели за магнити, които привличат някои метали. Багдадската батерия, изобретена преди 4000 години, е едно от доказателствата, че човечеството е използвало електричество много преди нашите дни и очевидно е знаело как работи. Въпреки това се смята, че до началото на 19 век електричеството и магнетизмът винаги се разглеждат отделно един от друг, приемат се като несвързани явления и принадлежат към различни клонове на физиката.

Изследването на магнитното поле започва през 1269 г., когато френският учен Петер Перегрин (рицар Пиер от Мерикурт) отбелязва магнитното поле върху повърхността на сферичен магнит с помощта на стоманени игли и определя, че получените линии на магнитното поле се пресичат в две точки, които той нарече „полюси“ по аналогия с полюсите на Земята.

Ерстед в експериментите си едва през 1819 г. открива отклонението на иглата на компас, разположен близо до проводник с ток, и след това ученият заключава, че има известна връзка между електрическите и магнитните явления.

5 години по-късно, през 1824 г., Ампер успява математически да опише взаимодействието на проводник с ток с магнит, както и взаимодействието на проводници помежду си, така че се появява Законът на Ампер: „Силата, действаща върху проводник с ток, поставен в еднородно магнитно поле, е пропорционална на дължината на проводника, вектор на магнитна индукция, сила на тока и синус на ъгъла между вектора на магнитната индукция и проводника «.

По отношение на въздействието на магнит върху ток, Ампер предполага, че вътре в постоянен магнит има микроскопични затворени токове, които създават магнитно поле на магнита, взаимодействащо с магнитното поле на проводник с ток.

След още 7 години, през 1831 г., Фарадей експериментално открива явлението електромагнитна индукция, тоест успява да установи факта на появата на електромоторна сила в проводник в момента, когато върху този проводник действа променящо се магнитно поле. Вижте — практическо приложение на явлението електромагнитна индукция.

Например, като преместите постоянен магнит близо до проводник, можете да получите пулсиращ ток в него и като подадете пулсиращ ток към една от бобините, върху общото желязно ядро, с което се намира втората намотка, пулсиращ ток ще също се появяват във втората намотка.

33 години по -късно, през 1864 г., Максуел успява да обобщи математически вече известни електрически и магнитни явления — той създава теория на електромагнитното поле, според който електромагнитното поле включва взаимосвързани електрически и магнитни полета. Така че, благодарение на Максуел, стана възможно научно да се комбинират резултатите от предишни експерименти в електродинамиката.

Последица от тези важни изводи на Максуел е неговата прогноза, че по принцип всяка промяна в електромагнитното поле трябва да генерира електромагнитни вълни, които се разпространяват в пространството и в диелектрични среди с определена крайна скорост, която зависи от магнитната и диелектричната проницаемост на среда за разпространение на вълни.

За вакуум тази скорост се оказа равна на скоростта на светлината, във връзка с което Максуел предположи, че светлината също е електромагнитна вълна и това предположение се потвърди по -късно (въпреки че Юнг посочи вълновата природа на светлината много преди тази на Ерстед експерименти).

Максуел, от друга страна, създава математическата основа за електромагнетизма и през 1884 г. известните уравнения на Максуел се появяват в съвременна форма. През 1887 г. Херц потвърждава теорията на Максуел за електромагнитни вълни: Приемникът ще вземе електромагнитните вълни, изпратени от предавателя.

Класическата електродинамика се занимава с изучаване на електромагнитни полета. В рамките на квантовата електродинамика електромагнитното излъчване се разглежда като поток от фотони, в който електромагнитното взаимодействие се пренася от частици носители — фотони — безмасови векторни бозони, които могат да бъдат представени като елементарни квантови възбуждания на електромагнитно поле. Поради това, фотон Е квант на електромагнитното поле от гледна точка на квантовата електродинамика.

Електромагнитното взаимодействие днес се счита за едно от фундаменталните взаимодействия във физиката, а електромагнитното поле е едно от основните физически полета заедно с гравитационното и фермионното.

Физически свойства на електромагнитното поле

Наличието на електрическо, или магнитно, или и двете полета в космоса може да се прецени чрез силното действие на електромагнитното поле върху заредена частица или върху ток.

Електрическото поле въздейства върху електрически заряди, както подвижни, така и неподвижни, с определена сила, в зависимост от силата на електрическото поле в дадена точка в пространството в даден момент и от големината на изпитвателния заряд q.

Познавайки силата (величината и посоката), с която електрическото поле действа върху тестовия заряд, и познавайки величината на заряда, може да се намери силата E на електрическото поле в дадена точка в пространството.

Електрическо поле се създава от електрически заряди, силовите му линии започват при положителни заряди (условно текат от тях) и завършват при отрицателни заряди (условно се вливат в тях). По този начин електрическите заряди са източници на електрическо поле. Друг източник на електрическото поле е променящото се магнитно поле, което математически се доказва от Уравненията на Максуел.

Силата, действаща върху електрически заряд от страната на електрическото поле, е част от силата, действаща върху даден заряд от страната на електромагнитното поле.

Магнитното поле се създава от движещи се електрически заряди (токове) или от променящи се във времето електрически полета (както е видно от уравненията на Максуел) и действа само върху движещи се електрически заряди.

Силата на действието на магнитното поле върху движещ се заряд е пропорционална на индукцията на магнитното поле, величината на движещия се заряд, скоростта на неговото движение и синуса на ъгъла между вектора на индукция на магнитното поле B и посоката на скоростта на движение на заряда. Тази сила често се нарича от силата на Лоренцобаче е само „магнитната“ част от него.

Всъщност силата на Лоренц включва електрически и магнитни компоненти. Магнитното поле се създава от движещи се електрически заряди (токове), силовите му линии са винаги затворени и покриват тока.