Elektromagnetizam

Riječ elektromagnetizam je spoj dva grčka termina, ἢλεκτρον, ēlektron, "ćilibar", i μαγνήτης, magnetno, od "magnítis líthos" (μαγνήτης λίθος), što znači "magnezijski kamen", vrsta željezne rude. To je nauka o elektromagnetnim pojavama, definisana u smislu elektromagnetnih sila, poznatih kao Lorentzova sila, koja uključuje i električni i magnetni element pojave.

Tokom Quark epohe, elektroslaba sila se podijelila na elektromagnetnu i slabu nuklearnu silu. Elektromagnetna sila igra veliku ulogu u određivanju unutrašnjih osobina većine predmeta koji se nalaze u svakodnevnom životu. Obična materija uzima oblik kao rezultat međumolekulskih sila između pojedinačnih molekula u materiji. Elektroni su vezani uz pomoć elektromagnetnih talasa u orbitale oko atomskog jezgra i tako formiraju atome, koji su gradivni blokovi molekula. Ovo uređuje procese uključene u hemiju, koji proizilaze iz međudjelovanja između elektrona susjednih atoma, koji s druge strane određuju interakciju između elektromagnetne sile i impulsa elektrona.

Postoje brojni matematički opisi elektromagnetnog polja. U klasičnoj elektrodinamici, električna polja se opisuju kao električni potencijal i električna struja u Ohmovom zakonu, magnetna polja su povezana sa elektromagnetnom indukcijom i magnetizmom, i Maxwellove jednačine opisuju kako se električna i magnetna polja generiraju i izmjenjuju uz pomoć jedni drugih, te naboja i struje.

Teoretske implikacije elektromagnetizma, posebno uspostavljanje brzine svjetlosti na osnovu svojstva "umjerenog" prostiranja (permeabilnost i permitivnost), dovele su do razvoja posebne relativnosti od strane Alberta Einsteina 1905. godine.

Iako se elektromagnetizam smatra za jednu od četiri fundamentalne sile, pri velikoj energiji elektroslaba sila i elektromagnetna sila su ujedinjene. U historiji svemira, za vrijeme kvark epohe, elektroslaba sila se dijelila na elektromagnetnu i slabu silu.

Historija teorije

Hans Christian Ørsted

Također pogledajte: Historija elektromagnetne teorije

Prvobitno su elektricitet i magnetizam smatrani kao dvije odvojene sile. Ovaj pogled se promijenio, međutim, sa objavljivanjem Rasprava o elektricitetu i magnetizmu, James Clerka Maxwella u 1873 gdje je prikazano da se interakcija između pozitivnog i negativnog naelektrisanja reguliše jednom silom. Postoje četiri glavna efekta koji proizilaze iz ove interakcije i svi se jasno mogu pokazati eksperimentima:

1. Električni naboji privlače ili odbijaju jedan drugog silom koja je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih: različito naelektrisani naboji se privlače, dok se isto naelektrisani odbijaju.
2. Magnetni polovi (ili stanje polarizacije na pojedinim tačkama) privlače ili odbijaju jedan drugog na sličan način, i uvijek dolaze u paru: svaki sjeverni pol je povezan sa južnim.
3. Električna struja u žici stvara kružno magnetno polje oko žice, njegov pravac (u smjeru ili suprotno od smjera kazaljke na satu) zavisi od struje.
4. Struja je indukovana kada se petlja žica kreće ka ili od magnetnog polja, ili se magnet kreće ka ili od žica, pravac struje zavisi od tog kretanja.

André-Marie Ampère

Dok se pripremao za večernje predavanje 21. aprila 1820, Hans Christian Ørsted je došao do iznenađujućeg zapažanja. Dok je postavljao svoje materijale, primijetio je da je igla kompasa skretala od magnetnog sjevera kada je električna struja baterije koju je koristio bila uključena i isključena. Ovo skretanje ga je uvjerilo da magnetno polje zrači sa svih strana žice te nosi električnu struju, baš kao svjetlost i toplota, i to je potvrdilo direktni odnos između elektriciteta i magnetizma.

Michael Faraday

U vrijeme otkrića, Ørsted nije predložio odgovarajuće objašjenje ove pojave, niti je pokušao da pojavu predstavi u matematičkom okviru. Međutim, nakon tri mjeseca započeo je intenzivniju istragu. Ubrzo nakon toga objavio je svoja otkrića, dokazujući da električna struja proizvodi magnetno polje dok prolazi kroz žicu. CGS jedinica za magnetnu idnukciju (oersted) je dobila ime po njemu u čast njegovih doprinosa na polju elektromagnetizma.

James Clerk Maxwell

Njegova otkrića su pokrenula intenzivna istraživanja širom naučne zajednice u elektrodinamici. Ona su uticala na francuskog fizičara André-Marie Ampèrea koji je razvio jedinstven matematički obrazac za predstavljanje magnetnih sila između dva provodnika struje. Ørstedovo otkriće također predstavlja veliki korak ka jedinstvenom konceptu energije.

Ovo ujedinjenje, koje je zapazio Michael Faraday, proširio James Clerk Maxwell, i dijelom reformulisao Oliver Heaviside i Heinrich Hertz, je jedno od ključnih dostignuća matematičke fizike u 19. stoljeću. Ovo je imalo dalekosežne posljedice, od kojih je jedna bila razumijevanje prirode svjetlosti. Za razliku od onoga što je predstavljeno u elektromagnetizmu, svjetlost i ostali elektromagnetni valovi se na ovom nivou gledaju kao kvantizirane, samoprenosive oscilirajuće smetnje elektromagnetnog polja koji se nazivaju fotoni. Različite frekvencije oscilacija daju različite forme elektromagnetnog zračenja, od radiotalasa na najnižim frekvencijama, do vidljivog svjetla na srednjim frekvencijama, pa do gama zračenja na najvišim frekvencijama.

Ørsted nije bio jedina osoba koja je ispitivala odnos između elektriciteta i magnetizma. 1802. godine Gian Domenico Romagnosi, italijanski pravni učitelj, skrenuo je magnetnu iglu elektrostatičkim nabojem. Zapravo , ne galvanska struja je postojala u postavci i zbog toga elektromagnetizam nije bio prisutan. Nalog otkrića je objavljen 1802 u italijanskim novinama, ali je u velikoj mjeri promakao savremenoj naučnoj zajednici.

Dr. Cookson je ranije (1735) izvijestio o često zapostavljenoj vezi između elektriciteta i magnetizma. U izvještaju se kaže:

Nakon što je trgovac u Wakefieldu u Yorkshireu postavio veliki broj noževa i viljuški u veliku kutiju... i smjestivši kutiju u ćošak velike sobe, dogodila se iznenadna oluja gromova, munji, itd. ... Nakon toga trgovac je ispraznio kutiju na tezgu gdje su ležali određeni ekseri, osobe koje bi podigle noževe, koji su ležali na ekserima, bi primijetili da bi noževi podigli eksere. Zbog toga su mnogi ovo probali i uvijek otkrili isto, i to u tolikoj mjeri da su podizali velike eksere, pakovanja igala i ostale željezne stvari znatne težine ...

E. T. Whittaker je 1910. godine sugerisao da je upravo ovaj događaj odgovoran da munje budu "smatrane zaslužnim za snagu magnetizovanog čelika; i nesumnjivo je da je ovo razlog zašto je Franklin 1751. pokušao da magnetizuje šivaću iglu uz pomoć pražnjenja Leydenovih staklenki."

Fundamentalne sile

Prikaz vektora električnog polja vala kružno polarizovanog elektromagnetnog zračenja.

Elektromagnetna sila je jedna od četiri poznate fundamentalne sile. Ostale fundamentalne sile su:

• slaba nuklearna sila, koja se veže za sve poznate čestice standardnog modela i uzrokuje određene oblike radioaktivnog raspada. (ipak u fizici elementarnih čestica, elektroslaba interakcija je ujedinjeni opis dvije od četiri poznate fundamentalne interakcije u prirodi: elektromagnetizam i slaba interakcija);
• jaka nuklearna sila, koja povezuje kvarkove kako bi oformila nukleone i povezuje nukleone kako bi oformila atomsko jezgro
• gravitaciona sila.

Sve ostale sile (npr. trenje, dodirne sile) se izvode iz ove četiri fundamentalne sile.

Elektromagnetna sila je odgovorna za praktično sve pojave kojima se čovjek svakodnevno susreće iznad nuklearne skale, sa izuzetkom gravitacije. Grubo rečeno, sve sile uključene u interakcije između atoma se mogu objasniti djelovanjem elektromagnetne sile između električno nabijenih jezgra i elektrona atoma. Elektromagnetne sile također objašnjavaju kako ove čestice nose impuls svojim kretanjem. To uključuje sile koje doživljavamo prilikom "guranja" ili "povlačenja" običnih materijalnih predmeta, koje nastaju kao rezultat međumolekularnih sila koje djeluju između pojedinačnih molekula u našem tijelu i onih u objektima. Elektromagnetna sila je također uključena u sve forme hemijskih pojava.

Neophodan dio razumijevanja intra-atomskih i intermolekularnih sila je efektivna sila stvorena impulsom kretanja elektrona, tako da kada se elektroni kreću između atoma koji uzajamno djeluju jedan na drugog oni nose impuls sa sobom. Kako kolekcija elektrona postaje sve ograničenija, njihov će se minimalni impuls nužno povećava zbog Paulijevog principa isključenja. Ponašanje materije na molekularnoj skali, uključujući njenu gustoću, je određeno ravnotežom između elektromagnetne sile i sile proizvedene razmjenom impulsa kojeg nose sami elektroni.

Veličine i jedinice

Također pogledajte: Spisak fizikalnih veličina i Spisak jednačina elektromagnetizma

Elektromagnetne jedinice su dio sistema električnih jedinica zasnovanih prije svega na magnetnim svojstvima električne struje, osnovna SI jedinica je amper. Jedinice su:

• amper (električna struja)
• kulon (električni naboj)
• farad (kapacitet)
• henri (induktivitet)
• ohm (otpor)
• tesla (gustoća magnetnog polja)
• volt (električni potencijal)
• vat (snaga)
• veber (magnetni tok)

U elektromagnetnom cgs sistemu, električna struja je osnovna veličina definisana Ampèrovim zakonom i uzima permeabilnost kao veličinu bez dimenzija (relativna permeabilnost) čija je vrijednost u vakuumu jedinstvena. Kao posljedica, kvadrat brzine svjetlosti se eksplicitno pojavljuje u nekim jednačinama povezanih veličina u ovom sistemu.

SI elektromagnetne jedinice
Simbol	Ime veličine	Izvedene jedinice	Jedinica	U osnovim jedinicama
I	električna struja	amper (osnovna SI jedinica)	A	A (= W/V = C/s)
Q	električni naboj	kulon	C	A⋅s
U, ΔV, Δφ; E	razlika potencijala; elektromotorna sila	volt	V	kg⋅m2⋅s−3⋅A−1 (= J/C)
R; Z; X	električni otpor; impedencija; reaktancija	ohm	Ω	kg⋅m2⋅s−3⋅A−2 (= V/A)
ρ	otpotnost	ohm metar	Ω⋅m	kg⋅m3⋅s−3⋅A−2
P	električna snaga	vat	W	kg⋅m2⋅s−3 (= V⋅A)
C	kapacitet	farad	F	kg−1⋅m−2⋅s4⋅A2 (= C/V)
E	jačina elekttričnog polja	volt po metru	V/m	kg⋅m⋅s−3⋅A−1 (= N/C)
D	električna indukcija	kulon po metru kvadratnom	C/m2	A⋅s⋅m−2
ε	permitivnost	farad po metru	F/m	kg−1⋅m−3⋅s4⋅A2
χe	električna susceptibilnost	(bezdimenzionalno)	–	–
G; Y; B	provodljivost; admitancija; susceptansa	simens	S	kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2 (= Ω−1)
κ, γ, σ	provodljivost	simens po metru	S/m	kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B	Gustina magnetnog polja, magnetna indukcija	tesla	T	kg⋅s−2⋅A−1 (= Wb/m2 = N⋅A−1⋅m−1)
$\Phi$	magnetni fluks	veber	Wb	kg⋅m2⋅s−2⋅A−1 (= V⋅s)
H	jačina magnetnog polja	amper po metru	A/m	A⋅m−1
L, M	induktivitet	henri	H	kg⋅m2⋅s−2⋅A−2 (= Wb/A = V⋅s/A)
μ	permeabilnost	henri po metru	H/m	kg⋅m⋅s−2⋅A−2
χ	magnetna podložnost	(bezdimenzionalno)	–	–

Formule za fizikalne zakone elektromagnetizma (kao što su Maxwellove jednačine) moraju se prilagoditi ovisno o tome koji sistem jedinica koriste. To je zato što ne postoji međusobna korespodencija između elektromagnetnih jedinica u SI-ju i onih u CGS-u, kao što je to slučaj za mehaničke jedinice. Nadalje, unutar CGS-a postoji nekoliko mogućih izbora elektromagnetnih jedinica, što dovodi do različitih "podsistema", uključujući Gaussov, "ESU", "EMU" i Heaviside–Lorentz. Među ovim izborima danas se Gaussove jedinice najčešće koriste i zapravo se fraza "CGS jedinice" često koristi za označavanje CGS-Gaussovih jedinica.

Također pogledajte

• Abraham–Lorentzova sila
• Računarski elektromagnetizam
• Eksperiment duplog proreza
• Elektromagnet
• Jednačina elektromagnetnih valova
• Elektromehanika
• Magnetostatika
• Magnetostatičko polje
• Optika
• Relativistički elektromagnetizam

Dalje čitanje

Web izvori

• Nave R. "Electricity and magnetism". HyperPhysics. Georgia State University. Pristupljeno 12. 11. 2013.

Bilješke

• Lewin, Walter; Belcher, John; Dourmashkin, Peter (Fall 2010). "8.02SC Physics II: Electricity and Magnetism". MIT OpenCourseWare. Massachusetts Institute of Technology. Arhivirano s originala, 4. 11. 2013. Pristupljeno 12. 11. 2013.
• Littlejohn, Robert (Spring 2011). "Emission and absorption of radiation" (PDF). Physics 221B: Quantum mechanics. University of California Berkeley. Arhivirano s originala (PDF), 12. 11. 2013. Pristupljeno 12. 11. 2013.
• Littlejohn, Robert (Spring 2011). "The Classical Electromagnetic Field Hamiltonian" (PDF). Physics 221B: Quantum mechanics. University of California Berkeley. Arhivirano s originala (PDF), 12. 11. 2013. Pristupljeno 12. 11. 2013.

Knjige

• G.A.G. Bennet (1974). Electricity and Modern Physics (2nd izd.). Edward Arnold (UK). ISBN 0-7131-2459-8.
• Dibner, Bern (2012). Oersted and the discovery of electromagnetism. Literary Licensing, LLC. ISBN 9781258335557.
• Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. (1969). Introduction to modern electromagnetics. McGraw-Hill. ISBN 0-07-018388-0.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
• Fleisch, Daniel (2008). A Student's Guide to Maxwell's Equations. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1.
• I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics (2008). Electromagnetism (2nd izd.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
• Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (3rd izd.). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
• Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd izd.). Wiley. ISBN 0-471-30932-X.
• Moliton, André (2007). Basic electromagnetism and materials. 430 pages. New York City: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-30284-3.
• Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism Berkeley Physics Course Volume 2 (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-004908-4. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
• Rao, Nannapaneni N. (1994). Elements of engineering electromagnetics (4th ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-948746-8.
• Rothwell, Edward J.; Cloud, Michael J. (2001). Electromagnetics. CRC Press. ISBN 0-8493-1397-X.
• Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Light, Electricity and Magnetism (4th izd.). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-492-6.
• Wangsness, Roald K.; Cloud, Michael J. (1986). Electromagnetic Fields (2nd Edition). Wiley. ISBN 0-471-81186-6.

Opšte reference

• A. Beiser (1987). Concepts of Modern Physics (4th izd.). McGraw-Hill (International). ISBN 0-07-100144-1.
• L.H. Greenberg (1978). Physics with Modern Applications. Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co. ISBN 0-7216-4247-0.
• R.G. Lerner, G.L. Trigg (2005). Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). VHC Publishers, Hans Warlimont, Springer. str. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4.
• J.B. Marion, W.F. Hornyak (1984). Principles of Physics. Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 4-8337-0195-2.
• H.J. Pain (1983). The Physics of Vibrations and Waves (3rd izd.). John Wiley & Sons,. ISBN 0-471-90182-2.CS1 održavanje: dodatna interpunkcija (link)
• C.B. Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). McGraw Hill. ISBN 0-07-051400-3.
• R. Penrose (2007). The Road to Reality. Vintage books. ISBN 0-679-77631-1.
• P.A. Tipler, G. Mosca (2008). Physics for Scientists and Engineers: With Modern Physics (6th izd.). W.H. Freeman and Co. ISBN 9-781429-202657.
• P.M. Whelan, M.J. Hodgeson (1978). Essential Principles of Physics (2nd izd.). John Murray. ISBN 0-7195-3382-1.

Vanjski linkovi

• Oppelt Arnulf (2. 11. 2006). "magnetic field strength". Arhivirano s originala, 7. 8. 2011. Pristupljeno 4. 6. 2007.
• "magnetic field strength converter". Pristupljeno 4. 6. 2007.
• Elektromagnetna sila - iz Eric Weissteinove World of Physics
• Goudarzi, Sara (15. 8. 2006). "Ties That Bind Atoms Weaker Than Thought". LiveScience.com. Pristupljeno 12. 11. 2013.
• Kvantizirana elektromagnetna sila - Dobar uvod za djecu
• The Deflection of a Magnetic Compass Needle by a Current in a Wire (video) na YouTubeu
• Elektromagnetizam skraćeno