Elektromagnetiskt fält
Ett elektromagnetiskt fält är ett grundläggande fysiskt fält som interagerar med elektriskt laddade kroppar , såväl som med kroppar som har sina egna dipol- och multipolelektriska och magnetiska moment . Det är en kombination av elektriska och magnetiska fält som under vissa förhållanden kan generera varandra, men i själva verket är de en enhet, formaliserad genom den elektromagnetiska fälttensorn .
Det elektromagnetiska fältet (och dess förändring med tiden) beskrivs i elektrodynamiken i den klassiska approximationen med hjälp av ett system av Maxwells ekvationer . I övergången från en tröghetsreferensram till en annan beror de elektriska och magnetiska fälten i den nya referensramen - var och en av båda - elektriska och magnetiska - i den gamla, och detta är ytterligare ett skäl till att överväga de elektriska och magnetiska fält som manifestationer av ett enda elektromagnetiskt fält.
I den moderna formuleringen representeras det elektromagnetiska fältet av den elektromagnetiska fälttensorn , vars komponenter är tre komponenter av den elektriska fältstyrkan och tre komponenter av den magnetiska fältstyrkan (eller - magnetisk induktion ) [~ 1] , samt en fyra -dimensionell elektromagnetisk potential - i ett visst avseende ännu viktigare.
Verkan av ett elektromagnetiskt fält på laddade kroppar beskrivs i den klassiska approximationen med hjälp av Lorentzkraften .
Det elektromagnetiska fältets kvantegenskaper och dess interaktion med laddade partiklar (liksom kvantkorrigeringar till den klassiska approximationen) är föremål för kvantelektrodynamiken , även om några av det elektromagnetiska fältets kvantegenskaper mer eller mindre tillfredsställande beskrivs av en förenklad kvantteori som historiskt uppstod mycket tidigare.
En störning av ett elektromagnetiskt fält som utbreder sig i rymden kallas en elektromagnetisk våg (elektromagnetiska vågor) [~ 2] . Alla elektromagnetiska vågor fortplantar sig i tomt utrymme (vakuum) med samma hastighet - ljusets hastighet (ljus är också en elektromagnetisk våg). Beroende på våglängden delas elektromagnetisk strålning in i radioemission , ljus (inklusive infraröd och ultraviolett), röntgenstrålning och gammastrålning .
Upptäcktshistorik
Kända sedan antiken , elektricitet och magnetism fram till början av 1800-talet betraktades som fenomen som inte var relaterade till varandra, och betraktades i olika delar av fysiken.
År 1819 upptäckte den danske fysikern H.K. Oersted att en ledare genom vilken en elektrisk ström flyter orsakar en avvikelse av nålen på en magnetisk kompass som ligger nära denna ledare, varifrån det följde att elektriska och magnetiska fenomen är sammankopplade.
Den franske fysikern och matematikern A. Ampere gav 1824 en matematisk beskrivning av samverkan mellan en strömledare och ett magnetfält (se Ampères lag ).
År 1831 upptäckte och gav den engelska fysikern M. Faraday experimentellt en matematisk beskrivning av fenomenet elektromagnetisk induktion - uppkomsten av en elektromotorisk kraft i en ledare under påverkan av ett föränderligt magnetfält.
År 1864 skapar J. Maxwell teorin om elektromagnetiska fält , enligt vilken elektriska och magnetiska fält existerar som inbördes relaterade komponenter i en enda helhet - det elektromagnetiska fältet. Denna teori, från en enhetlig synvinkel, förklarade resultaten av all tidigare forskning inom området elektrodynamik , och dessutom följde det av den att alla förändringar i det elektromagnetiska fältet skulle generera elektromagnetiska vågor som fortplantar sig i ett dielektriskt medium (inklusive vakuum) med en ändlig hastighet, beroende på den dielektriska och magnetiska permeabiliteten hos detta medium. För vakuum var det teoretiska värdet av denna hastighet nära de experimentella mätningarna av ljusets hastighet som erhölls vid den tiden, vilket gjorde det möjligt för Maxwell att föreslå (senare bekräftat) att ljus är en av manifestationerna av elektromagnetiska vågor.
Maxwells teori löste redan vid starten ett antal grundläggande problem inom elektromagnetisk teori, förutspådde nya effekter och gav en tillförlitlig och effektiv matematisk grund för att beskriva elektromagnetiska fenomen. Men under Maxwells liv fick den mest slående förutsägelsen i hans teori - förutsägelsen om förekomsten av elektromagnetiska vågor - inte direkt experimentell bekräftelse.
1887 satte den tyske fysikern G. Hertz upp ett experiment som helt bekräftade Maxwells teoretiska slutsatser. Hans experimentella uppställning bestod av en sändare och mottagare av elektromagnetiska vågor belägna på ett visst avstånd från varandra, och representerade i själva verket det historiskt första radiokommunikationssystemet , även om Hertz själv inte såg någon praktisk tillämpning av hans upptäckt, och ansåg det enbart som en experimentell bekräftelse av Maxwells teori.
På XX-talet. utvecklingen av idéer om det elektromagnetiska fältet och elektromagnetisk strålning fortsatte inom ramen för kvantfältteorin , vars grunder lades av den store tyske fysikern Max Planck . Denna teori, som i allmänhet fullbordades av ett antal fysiker runt mitten av 1900-talet, visade sig vara en av de mest exakta fysikaliska teorierna som finns idag.
Under andra hälften av 1900-talet ingick (kvant)teorin om det elektromagnetiska fältet och dess växelverkan i den enhetliga teorin om den elektrosvaga växelverkan och ingår nu i den så kallade standardmodellen inom ramen för begreppet mätare fält (det elektromagnetiska fältet är, ur denna synvinkel, det enklaste av mätfälten - det Abeliska mätfältet).
Klassificering
Det elektromagnetiska fältet ur modern synvinkel är ett masslöst [~ 3] Abelian [~ 4] vektor [~ 5] gauge [~ 6] fält. Dess mätgrupp är U(1) .
Bland de kända (ej hypotetiska) fundamentala fälten är det elektromagnetiska fältet det enda av denna typ. Alla andra fält av samma typ (som kan betraktas, åtminstone rent teoretiskt) - (skulle vara) helt ekvivalenta med det elektromagnetiska fältet, kanske förutom konstanter.
Fysiska egenskaper
Det elektromagnetiska fältets fysikaliska egenskaper och elektromagnetisk interaktion är föremål för studier av elektrodynamik , ur en klassisk synvinkel beskrivs den av klassisk elektrodynamik och från en kvant-enkvantelektrodynamik . I princip är den första en approximation av den andra, mycket enklare, men för många problem är den väldigt, väldigt bra.
Inom ramen för kvantelektrodynamiken kan elektromagnetisk strålning ses som en ström av fotoner . Partikelbäraren för den elektromagnetiska interaktionen är en foton (en partikel som kan representeras som en elementär kvantexcitation av det elektromagnetiska fältet) - en masslös vektorboson. En foton kallas också ett kvantum av ett elektromagnetiskt fält (vilket betyder att de stationära tillstånden för ett fritt elektromagnetiskt fält som gränsar till energi med en viss frekvens och vågvektor skiljer sig med en foton).
Den elektromagnetiska interaktionen är en av huvudtyperna av långväga fundamentala interaktioner , och det elektromagnetiska fältet är ett av de grundläggande fälten.
Det finns en teori (inkluderad i standardmodellen ) som kombinerar de elektromagnetiska och svaga interaktionerna till en elektrosvag . Det finns också teorier som kombinerar elektromagnetiska och gravitationella interaktioner (som Kaluza-Klein-teorin ). Den senare, med sina teoretiska förtjänster och skönhet, är dock inte allmänt accepterad (i betydelsen av dess preferens), eftersom det experimentellt inte har visat sig skilja sig från en enkel kombination av de vanliga teorierna om elektromagnetism och gravitation, liksom teoretiska fördelar i en grad som skulle tvinga fram ett erkännande av dess speciella värde. Samma (i bästa fall) kan sägas hittills om andra liknande teorier: inte ens de bästa av dem är åtminstone inte tillräckligt utvecklade för att anses vara helt framgångsrika.
Säkerhet för elektromagnetiska fält
I samband med den ökande spridningen av EMF-källor i vardagen ( mikrovågsugnar , mobiltelefoner, TV- och radiosändningar) och i produktionen ( HDTV -utrustning , radiokommunikation), reglering av EMF-nivåer och studiet av den möjliga effekten av EMF på en person är av stor betydelse [1] . Ransonering av EMF-nivåer utförs separat för arbetsplatser och sanitära och bostadsområden.
Kontroll över EMF-nivåer tilldelas de sanitära tillsynsmyndigheterna och teleinspektionen och på företagen - till arbetarskyddstjänsten .
De högsta tillåtna nivåerna av EMF i olika radiofrekvensband är olika.
Se även
Anteckningar
- ↑ För vakuum, för vilket de grundläggande ekvationerna är formulerade, är den magnetiska fältstyrkan och den magnetiska induktionen i huvudsak desamma, även om de i vissa system av enheter (inklusive SI ) kan skilja sig åt med en konstant faktor och till och med måttenheter.
- ↑ Förökning med en lätt minskning av intensiteten antyds; i vakuum betyder det att minskningen med avståndet från källan är långsammare än minskningen av det statiska (Coulomb) fältet; en plan elektromagnetisk våg - så länge planvågsapproximationen är korrekt och negligerar absorption (eller i idealvakuum) - minskar inte i amplitud alls, en sfärisk minskar långsammare än respektive intensiteten eller potentialen i Coulombs lag.
- ↑ Parametern m (massa) i Klein-Gordon-ekvationen för ett elektromagnetiskt fält är noll (med andra ord betyder detta att den elektromagnetiska potentialen följer - i en viss mätare - bara en vågekvation . Relaterat till detta är det faktum att en fotonen (i ett vakuum) kan inte - som och vilken massalös partikel som helst - stanna, den rör sig alltid med samma hastighet - ljusets hastighet .
- ↑ I den enklaste tolkningen betyder det att det elektromagnetiska fältet inte direkt interagerar med sig självt, det vill säga att det elektromagnetiska fältet inte har någon elektrisk laddning. En foton kan inte själv direkt sända ut eller absorbera en annan foton.
- ↑ När termer används i snäv mening, anses endast vektorfält vara mätare; men vi betecknar i alla fall här det elektromagnetiska fältets vektorkaraktär explicit.
- ↑ Det elektromagnetiska mätfältet är när man betraktar det i interaktion med elektriskt laddade partiklar; begreppet mätfält innebär alltid en liknande interaktion (liknande i någon mening; det specifika sättet för interaktion kan skilja sig markant).
Fotnoter:
- ↑ Yu. A. Kholodov. Hjärnan i elektromagnetiska fält. - M . : Nauka , 1982. - S. 123. - (Människan och miljön).
Litteratur
- Sivukhin DV Allmän kurs i fysik. - Ed. 4:a, stereotypt. — M .: Fizmatlit ; MIPT Publishing House, 2004. - Volym III. Elektricitet. — 656 sid. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 ..
- Griffiths, David J. Introduktion till elektrodynamik (obestämd) . — 3:a. - Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall , 1999. - ISBN 978-0138053260 .
- Maxwell, JC A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field // Philosophical Transactions of the Royal Society of London : tidskrift. - 1865. - 1 januari ( vol. 155 ). - s. 459-512 . - doi : 10.1098/rstl.1865.0008 . (Denna artikel åtföljde en presentation av Maxwell den 8 december 1864 för Royal Society.)
- Purcell, Edward M.; Morin, David J. Elektricitet och magnetism (obestämd) . — 3:a. - Cambridge: Cambridge University Press , 2012. - ISBN 9781-10701-4022 .
Länkar
 Ordböcker och uppslagsverk | ||||
|---|---|---|---|---|
| ||||