Elektromagnetisk felt

Et elektromagnetisk felt  er et grundlæggende fysisk felt , der interagerer med elektrisk ladede legemer , såvel som med legemer, der har deres egne dipol- og multipolelektriske og magnetiske momenter . Det er en kombination af elektriske og magnetiske felter, der under visse forhold kan generere hinanden, men i virkeligheden er de én enhed, formaliseret gennem den elektromagnetiske felttensor .

Det elektromagnetiske felt (og dets ændring med tiden) er beskrevet i elektrodynamik i den klassiske tilnærmelse ved hjælp af et system af Maxwells ligninger . I overgangen fra en inertiereference til en anden, afhænger de elektriske og magnetiske felter i den nye referenceramme - hver især af begge - elektriske og magnetiske - i den gamle, og dette er endnu en grund til at overveje de elektriske og magnetiske felter som manifestationer af et enkelt elektromagnetisk felt.

I den moderne formulering er det elektromagnetiske felt repræsenteret af den elektromagnetiske felttensor , hvis komponenter er tre komponenter af den elektriske feltstyrke og tre komponenter af den magnetiske feltstyrke (eller - magnetisk induktion ) [~ 1] , samt en fire -dimensionelt elektromagnetisk potentiale  - i en vis henseende endnu vigtigere.

Virkningen af ​​et elektromagnetisk felt på ladede legemer er beskrevet i den klassiske tilnærmelse ved hjælp af Lorentz-kraften .

Det elektromagnetiske felts kvanteegenskaber og dets interaktion med ladede partikler (såvel som kvantekorrektioner til den klassiske tilnærmelse) er genstand for kvanteelektrodynamik , selvom nogle af det elektromagnetiske felts kvanteegenskaber er mere eller mindre tilfredsstillende beskrevet af en forenklet kvanteteori, der historisk opstod meget tidligere.

En forstyrrelse af et elektromagnetisk felt, der forplanter sig i rummet, kaldes en elektromagnetisk bølge (elektromagnetiske bølger) [~ 2] . Enhver elektromagnetisk bølge forplanter sig i det tomme rum (vakuum) med samme hastighed - lysets hastighed (lys er også en elektromagnetisk bølge). Afhængigt af bølgelængden opdeles elektromagnetisk stråling i radioemission , lys (inklusive infrarød og ultraviolet), røntgenstråler og gammastråling .

Opdagelseshistorie

Kendt siden antikken , blev elektricitet og magnetisme indtil begyndelsen af ​​det 19. århundrede betragtet som fænomener, der ikke var relateret til hinanden, og blev betragtet i forskellige dele af fysikken.

I 1819 opdagede den danske fysiker H.K. Ørsted , at en leder, hvorigennem en elektrisk strøm løber, forårsager en afvigelse af nålen på et magnetisk kompas placeret nær denne leder, hvorfra det fulgte, at elektriske og magnetiske fænomener er indbyrdes forbundet.

Den franske fysiker og matematiker A. Ampere gav i 1824 en matematisk beskrivelse af samspillet mellem en strømleder og et magnetfelt (se Ampères lov ).

I 1831 opdagede og gav den engelske fysiker M. Faraday eksperimentelt en matematisk beskrivelse af fænomenet elektromagnetisk induktion  - fremkomsten af ​​en elektromotorisk kraft i en leder under påvirkning af et skiftende magnetfelt.

I 1864 skaber J. Maxwell teorien om elektromagnetiske felter , ifølge hvilken elektriske og magnetiske felter eksisterer som indbyrdes forbundne komponenter i en enkelt helhed - det elektromagnetiske felt. Denne teori, fra et samlet synspunkt, forklarede resultaterne af al tidligere forskning inden for elektrodynamik , og desuden fulgte det af den, at enhver ændring i det elektromagnetiske felt skulle generere elektromagnetiske bølger, der forplanter sig i et dielektrisk medium (inklusive vakuum) med en endelig hastighed, afhængigt af den dielektriske og magnetiske permeabilitet af dette medium. For vakuum var den teoretiske værdi af denne hastighed tæt på de eksperimentelle målinger af lyshastigheden opnået på det tidspunkt, hvilket gjorde det muligt for Maxwell at foreslå (senere bekræftet), at lys er en af ​​manifestationerne af elektromagnetiske bølger.

Maxwells teori løste allerede ved sin begyndelse en række fundamentale problemer inden for elektromagnetisk teori, forudsagde nye effekter og gav et pålideligt og effektivt matematisk grundlag for at beskrive elektromagnetiske fænomener. Men i løbet af Maxwells liv modtog den mest slående forudsigelse af hans teori - forudsigelsen af ​​eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger - ikke direkte eksperimentel bekræftelse.

I 1887 opstillede den tyske fysiker G. Hertz et eksperiment, der fuldt ud bekræftede Maxwells teoretiske konklusioner. Hans eksperimentelle opsætning bestod af en sender og modtager af elektromagnetiske bølger placeret i nogen afstand fra hinanden, og repræsenterede faktisk det historisk første radiokommunikationssystem , selvom Hertz ikke selv så nogen praktisk anvendelse af hans opdagelse, og betragtede det udelukkende som et eksperimentel bekræftelse af Maxwells teori.

I det XX århundrede. udviklingen af ​​ideer om det elektromagnetiske felt og elektromagnetisk stråling fortsatte inden for rammerne af kvantefeltteorien , hvis grundlag blev lagt af den store tyske fysiker Max Planck . Denne teori, som generelt blev afsluttet af en række fysikere omkring midten af ​​det 20. århundrede, viste sig at være en af ​​de mest præcise fysiske teorier, der findes i dag.

I anden halvdel af det 20. århundrede blev (kvante)teorien om det elektromagnetiske felt og dets vekselvirkning inkluderet i den forenede teori om den elektrosvage vekselvirkning og indgår nu i den såkaldte standardmodel inden for rammerne af begrebet gauge felter (det elektromagnetiske felt er, set fra dette synspunkt, det enkleste af målefelterne - det Abelske målefelt).

Klassifikation

Det elektromagnetiske felt fra et moderne synspunkt er et masseløst [~ 3] Abelian [~ 4] vektor [~ 5] gauge [~ 6] felt. Dens målegruppe  er U(1) .

Blandt de kendte (ikke hypotetiske) fundamentale felter er det elektromagnetiske felt det eneste af denne type. Alle andre felter af samme type (som kan betragtes, i det mindste rent teoretisk) - (ville være) fuldstændig ækvivalente med det elektromagnetiske felt, måske bortset fra konstanter.

Fysiske egenskaber

De fysiske egenskaber af det elektromagnetiske felt og elektromagnetisk interaktion er genstand for undersøgelse af elektrodynamik , fra et klassisk synspunkt er det beskrevet ved klassisk elektrodynamik , og ud fra en kvante en- kvante elektrodynamik . I princippet er den første en tilnærmelse af den anden, meget enklere, men for mange problemer er den meget, meget god.

Inden for rammerne af kvanteelektrodynamik kan elektromagnetisk stråling ses som en strøm af fotoner . Partikelbæreren af ​​den elektromagnetiske interaktion er en foton (en partikel, der kan repræsenteres som en elementær kvanteexcitation af det elektromagnetiske felt) - en masseløs vektorboson. En foton kaldes også en kvante af et elektromagnetisk felt (hvilket betyder, at de stationære tilstande af et frit elektromagnetisk felt, der støder op i energi med en bestemt frekvens og bølgevektor, adskiller sig med en foton).

Den elektromagnetiske interaktion  er en af ​​hovedtyperne af langtrækkende fundamentale interaktioner , og det elektromagnetiske felt er et af de fundamentale felter.

Der er en teori (inkluderet i standardmodellen ), der kombinerer de elektromagnetiske og svage vekselvirkninger til en- elektrosvag . Der er også teorier, der kombinerer elektromagnetiske og gravitationelle interaktioner (såsom Kaluza-Klein-teorien ). Sidstnævnte er dog med sine teoretiske fordele og skønhed ikke almindeligt accepteret (i betydningen af ​​dets præference), da det eksperimentelt ikke har vist sig at adskille sig fra en simpel kombination af de sædvanlige teorier om elektromagnetisme og tyngdekraft, samt teoretiske fordele i en grad, der ville fremtvinge anerkendelse af dens særlige værdi. Det samme (i bedste fald) kan hidtil siges om andre lignende teorier: selv de bedste af dem er i hvert fald ikke tilstrækkeligt udviklede til at blive betragtet som fuldstændig vellykkede.

Sikkerhed for elektromagnetiske felter

I forbindelse med den stigende udbredelse af EMF-kilder i hverdagen ( mikrobølgeovne , mobiltelefoner, tv- og radioudsendelser) og i produktionen ( HDTV -udstyr , radiokommunikation), reguleringen af ​​EMF-niveauer og undersøgelsen af ​​den mulige effekt af EMF på en person er af stor betydning [1] . Rationering af EMF-niveauer udføres separat for arbejdspladser og sanitære og boligområder.

Kontrol over EMF-niveauer er tildelt de sanitære tilsynsmyndigheder og teletilsynet, og i virksomhederne - til arbejdsbeskyttelsestjenesten .

De maksimalt tilladte niveauer af EMF i forskellige radiofrekvensbånd er forskellige.

Se også

Noter

  1. ↑ For vakuum, for hvilket de grundlæggende ligninger er formuleret, er den magnetiske feltstyrke og den magnetiske induktion i det væsentlige de samme, selvom de i nogle enhedssystemer (inklusive SI ) kan afvige med en konstant faktor og endda måleenheder.
  2. ↑ Formering med et let fald i intensitet er underforstået; i vakuum betyder det, at faldet med afstanden fra kilden er langsommere end faldet af det statiske (Coulomb) felt; en plan elektromagnetisk bølge - så længe den plane bølgetilnærmelse er korrekt og negligerer absorption (eller i ideelt vakuum) - falder slet ikke i amplitude, en sfærisk aftager langsommere end henholdsvis intensiteten eller potentialet i Coulombs lov.
  3. ↑ Parameteren m (masse) i Klein-Gordon-ligningen for et elektromagnetisk felt er nul (det betyder med andre ord, at det elektromagnetiske potentiale adlyder - i et bestemt mål - blot en bølgeligning . Relateret til dette er det faktum, at en foton (i et vakuum) kan - som en hvilken som helst masseløs partikel - ikke stoppe, den bevæger sig altid med samme hastighed - lysets hastighed .
  4. ↑ I den simpleste fortolkning betyder det, at det elektromagnetiske felt ikke vekselvirker direkte med sig selv, det vil sige, at det elektromagnetiske felt ikke har en elektrisk ladning. En foton kan ikke selv direkte udsende eller absorbere en anden foton.
  5. ↑ Når man bruger termer i snæver betydning, betragtes kun vektorfelter som gauge; men vi betegner i hvert fald her det elektromagnetiske felts vektorkarakter eksplicit.
  6. ↑ Det elektromagnetiske målerfelt er, når man betragter det i samspil med elektrisk ladede partikler; begrebet et målefelt indebærer altid en lignende interaktion (lignende i en eller anden forstand; den specifikke interaktionsmåde kan variere markant).

Fodnoter:

  1. ↑ Yu. A. Kholodov. Hjernen i elektromagnetiske felter. - M . : Nauka , 1982. - S. 123. - (Mennesket og miljøet).

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier