Elektromagnetizm

thumb|300x300px| Elektromagnit oʻzaro taʼsirlar ushbu plazma globusidagi porlash filamentlari uchun javobgardir

Fizikada elektromagnetizm — bu elektromagnit maydonlar orqali elektr zaryadli zarralar oʻrtasida sodir boʻladigan oʻzaro taʼsir hisoblanadi. Elektromagnit kuch tabiatning toʻrtta asosiy kuchidan biridir. Bu atomlar va molekulalarning oʻzaro taʼsirida hukmronlik qiluvchi kuch hisoblanadi. Elektromagnetizmni kombinatsiyasi deb hisoblash mumkin elektrostatika va magnetizm, ikkita alohida, ammo bir-biri bilan chambarchas bogʻliq hodisalar. Elektromagnit kuchlar har qanday ikkita zaryadlangan zarralar oʻrtasida paydo boʻlib, qarama-qarshi zaryadli zarralar orasidagi tortishish va bir xil zaryadli zarralar orasidagi itarishni keltirib chiqaradi, magnetizm esa faqat nisbiy harakatda zaryadlangan zarralar oʻrtasida sodir boʻladigan oʻzaro taʼsirdir. Ushbu ikkita effekt birlashib, zaryad zarralari atrofida elektromagnit maydonlarni hosil qiladi, bu esa Lorents kuchi orqali boshqa zaryadlangan zarralarni tezlashtirishi mumkin. Yuqori energiyada zaif kuch va elektromagnit kuch yagona elektr zaif kuch sifatida birlashtiriladi.

Elektromagnit kuch kundalik hayotda kuzatiladigan koʻplab kimyoviy va fizik hodisalar uchun javobgar hisoblanadi. Atom yadrolari va ularning elektronlari orasidagi elektrostatik tortishish atomlarni birga ushlab turadi. Elektr kuchlari va shuningdek, hayotning asosini tashkil etuvchi oqsillar kabi makromolekulalar, jumladan, turli atomlarning molekulalarga birlashishiga imkon beradi. , elektronlarning spin va burchak momentum magnit momentlari orasidagi magnit oʻzaro taʼsirlar ham kimyoviy reaktivlikda rol oʻynaydi; bunday munosabatlar asosan spin kimyosida oʻrganiladi. Elektromagnetizm zamonaviy texnologiyalarda ham hal qiluvchi katta rolni oʻynaydi: elektr energiyasini ishlab chiqarish, oʻzgartirish va taqsimlash, yorugʻlik, issiqlik va ovoz ishlab chiqarish va aniqlash, optik tolali va simsiz aloqa, sensorlar, hisoblash, elektroliz, elektrokaplama va mexanik motorlar va aktuatorlar.

Elektromagnetizm qadim zamonlardan beri oʻrganilib kelingan. Koʻpgina qadimgi civilizatsiyalar, shu jumladan yunonlar va mayyalar chaqmoq, statik elektr va magnitlangan temir javhari boʻlaklari orasidagi tortishishni tushuntirish uchun keng koʻlamli nazariyalarni yaratganlar. Biroq, faqat XVIII asrning oxirlarida olimlar elektromagnit oʻzaro taʼsirlarning tabiatini tushunish uchun matematik asoslarni ishlab chiqishni boshlaganlar. XVIII-XIX asrlarda taniqli olimlar va matematiklar Kulon, Gauss va Faradey elektromagnit maydonlarning shakllanishi va oʻzaro taʼsirini tushuntirishga yordam beradigan ism qonunlarini ishlab chiqdi. Ushbu jarayon 1860-yillarda kashf etilishi bilan yakunlandi Maksvell tenglamalari, klassik elektromagnit maydonlarning toʻliq tavsifini beradigan toʻrtta qisman differentsial tenglamalar toʻplami. Maksvell tenglamalari olimlar asrlar davomida oʻrganib kelgan elektr va magnetizm oʻrtasidagi munosabatlar uchun ishonchli matematik asosni taqdim etishdan tashqari, oʻzini oʻzi taʼminlaydigan elektromagnit toʻlqinlar mavjudligini ham bashorat qilgan. Maksvell bunday toʻlqinlar koʻrinadigan yorugʻlikni tashkil qiladi, deb taxmin qildi, keyinchalik bu haqiqat ekanligi koʻrsatildi. Darhaqiqat, gamma nurlari, rentgen nurlari, ultrabinafsha, koʻrinadigan, infraqizil nurlanish, mikrotoʻlqinlar va radio toʻlqinlarning barchasi faqat chastotalar oraligʻida farq qiluvchi elektromagnit nurlanish ekanligi aniqlandi.

Zamonaviy davrda olimlar elektromagnetizm teoremasini zamonaviy fizikaning, shu jumladan kvant mexanikasi va nisbiylik nazariyasining taʼsirini hisoblash uchun takomillashtirishni davom ettirdilar. Darhaqiqat, elektromagnetizmning nazariy taʼsiri, xususan, tarqalish „oʻrtasi“ (oʻtkazuvchanlik va oʻtkazuvchanlik) xususiyatlariga asoslangan yorugʻlik tezligini aniqlash Eynshteynning 1905-yilda maxsus nisbiylik nazariyasini ilhomlantirishga yordam bergan. , kvant elektrodinamika (QED) sohasi Maksvell tenglamalarini moddaning kvantlangan tabiatiga mos keladigan tarzda oʻzgartirgan. QEDda elektromagnit maydon yorugʻlikning fizik kvantlari boʻlgan fotonlar deb nomlanuvchi diskret zarrachalar bilan ifodalanadi. Bugungi kunda elektromagnetizmda hal qilinmagan koʻplab muammolar mavjud, masalan, magnit monopollarning mavjudligi va baʼzi organizmlar elektr va magnit maydonlarni sezish mexanizmi.

 Nazariya tarixi 
thumb| Elektr va magnitlanish haqidagi risolaning muqovasi
Dastlab, elektr va magnetizm ikkita alohida kuch deb hisoblangan. Ushbu qarash nashr etilishi bilan oʻzgardi Jeyms Klerk Maksvell1873-yil elektr va magnetizm toʻgʻrisida risola unda ijobiy va salbiy zaryadlarning oʻzaro taʼsiri bitta kuch vositachiligida koʻrsatilgan. Ushbu oʻzaro taʼsirlar natijasida toʻrtta asosiy effekt mavjud boʻlib, ularning barchasi tajribalar bilan aniq namoyish etilgan:

 Elektr zaryadlari yoki bir-birini ular orasidagi masofa kvadratiga teskari proportsional kuch bilaqaytaringn uni : zaryadlardan farqli oʻlaroq, tortadi, xuddi uni qaytargandek.
 Magnit qutblar (yoki alohida nuqtalardagi qutblanish holatlari) musbat va manfiy zaryadlarga oʻxshash tarzda bir-birini tortadi yoki qaytaradi va har doim juft boʻlib mavjud: har bir shimoliy qutb janubiy qutbga bogʻlangan hisoblanadi.
 Sim ichidagi elektr toki simdan tashqarida mos keladigan aylana magnit maydonini hosil qiladi. Uning yoʻnalishi (soat yoʻnalishi boʻyicha yoki soat sohasi farqli oʻlaroq) simdagi oqim yoʻnalishiga bogʻliq.
 Magnit maydon tomon yoki undan uzoqlashganda yoki magnit unga qarab yoki undan uzoqlashganda sim halqasida tok induktsiya qilinadi; oqimning yoʻnalishi harakatga bogʻliq boʻladi.

1820-yil aprel oyida Xans Kristian Ørsted simdagi elektr toki yaqin atrofdagi kompas ignasini harakatga keltirishini kuzatgan. Kashfiyot paytida, Orsted hodisani qoniqarli tushuntirishni taklif qilmadi va hodisani matematik doirada namoyish etishga harakat qilmadi. Biroq, uch oy oʻtgandan keyin, u yanada chuqurroq tekshiruvlarni boshlagan. Koʻp oʻtmay, u oʻz topilmalarini eʼlon qildi va elektr toki sim orqali oʻtayotganda magnit maydon hosil qilishini isbotlagan. CGS magnit induktsiya birligi (oersted) uning elektromagnetizm sohasiga qoʻshgan hissasi sharafiga nomlangan.

Uning topilmalari elektrodinamika boʻyicha ilmiy jamoatchilik boʻylab intensiv tadqiqotlarga olib keldi. Ular fransuz fizigiga taʼsir koʻrsatdilar ANDR va oqim oʻtkazgichlari orasidagi magnit kuchlarni ifodalash uchun yagona matematik shakldagi André-Marie Ampèrening ishlanmalari. Orstedning kashfiyoti, shuningdek, energiyaning yagona kontseptsiyasiga katta qadam boʻldi.

Maykl Faraday tomonidan kuzatilgan, Jeyms Klerk Maksvell tomonidan kengaytirilgan va qisman Oliver Heavisayd va Geynrix Xerts tomonidan qayta tuzilgan bu birlashish XIX asr matematik fizikasining asosiy yutuqlaridan biri hisoblanadi. Bu juda katta oqibatlarga olib keldi, ulardan biri yorugʻlik tabiatini tushunish edi. Oʻsha davrning elektromagnit nazariyasi taklif qilganidan farqli oʻlaroq, yorugʻlik va boshqa elektromagnit toʻlqinlar hozirgi vaqtda fotonlar deb ataladigan kvantlangan, oʻz-oʻzidan tarqaladigan tebranish elektromagnit maydon buzilishlari shaklini oʻziga oladi. Har xil tebranish chastotalari elektromagnit nurlanishning turli shakllarini keltirib chiqaradi va eng past chastotalardagi radio toʻlqinlardan, oraliq chastotalarda koʻrinadigan yorugʻlikgacha, eng yuqori chastotalarda gamma nurlarigacha boʻladi .

Orsted elektr va magnetizm oʻrtasidagi munosabatni oʻrgangan yagona odam emas edi. 1802-yilda italiyalik huquqshunos olim Jan Domeniko Romagnosi Voltaik qoziq yordamida magnit ignani burdi. Tajribaning haqiqiy oʻrnatilishi toʻliq aniq emas va igna boʻylab oqim oqsa yoki yoʻq. Ushbu kashfiyot haqida 1802-yilda Italiya gazetasida nashr etilgan, ammo zamonaviy ilmiy jamoatchilik uni eʼtiborsiz qoldirgan, chunki Romagnosi bu jamoaga tegishli emas edi.

Ilgari (1735) va koʻpincha eʼtiborsiz qoldirilgan elektr va magnetizm oʻrtasidagi bogʻliqlik haqida doktor Kukson xabar berganVIII. An account of an extraordinary effect of lightning in communicating magnetism. Communicated by Pierce Dod, M. D. F. R. S. from Dr. Cookson of Wakefield in Yorkshire.
Phil. Trans. 1735 39, 74-75, published 1 January 1735. Hisobda shunday deyilgan:Yorkshirdagi Ueykfilddagi savdogar katta qutiga juda koʻp pichoq va vilkalar qoʻygan … va qutini katta xonaning burchagiga qoʻyib, toʻsatdan momaqaldiroq, chaqmoq va boshqalar sodir boʻldi. … Baʼzi mix yotar bir peshtaxta ustida qutisini boʻshatish egasi, pichoq oldi shaxslar, deb mix yotar, pichoqlari tirnoqlarini oldi, deb kuzatilgan. Buning ustiga butun son sinab koʻrildi va xuddi shunday qilish kerak edi va bu katta Tirnoqlarni, qadoqlash ignalarini va boshqa ogʻirlikdagi temir narsalarni olish uchun … E. T. Whittaker 1910-yilda ushbu voqea chaqmoqni "poʻlat magnitlash kuchi bilan hisobga olish uchun javobgar deb taxmin qilgan va bu shubhasiz 1751-yilda Franklinni Leyden idishlarini boʻshatish orqali tikuv ignasini magnitlashga urinishiga olib keldiWhittaker, E. T. (1910). A History of the Theories of Aether and Electricity from the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century. Longmans, Green and Company..

 Asosiy kuchlar 
right|thumb|220x220px| Dumaloq qutblangan elektromagnit nurlanish toʻlqinining elektr maydoni vektorining koʻrinishi.
Elektromagnit kuch-bu maʼlum boʻlgan toʻrtta asosiy kuchlardan biri va ikkinchi eng kuchli (kuchli yadro kuchidan keyin), cheksiz diapazon bilan ishlaydi. Boshqa asosiy kuchlar:

 kvarklarni nuklonlarni hosil qilish uchun bogʻlaydigan va nuklonlarni yadrolarni hosil qilish uchun bogʻlaydigan kuchli yadro kuchi; bu maʼlum boʻlgan toʻrtta asosiy kuchlarning eng kuchlisi, ammo faqat qisqa masofada ishlaydi;
 standart modeldagi barcha maʼlum zarralar bilan bogʻlangan va radioaktiv parchalanishning ayrim shakllarini keltirib chiqaradigan zaif yadro kuchi; bu toʻrtta asosiy kuchning ikkinchi eng zaifidir va kuchli yadro kuchi singari faqat qisqa masofada ishlaydi (zarralar fizikasida elektr zaif oʻzaro taʼsir-bu yagona tavsif. tabiatning maʼlum boʻlgan toʻrtta fundamental oʻzaro taʼsiridan ikkitasi: elektromagnetizm va zaif oʻzaro taʼsir);
 tortishish kuchi zarrachalar fizikasi standart modeliga kirmaydigan toʻrtta asosiy kuchdan yagona; toʻrtta asosiy kuchlarning eng zaifi boʻlsa-da, tortishish kuchi, elektro bilan birga ­ magnit kuch, cheksiz diapazonda ishlaydi.

Boshqa hamma kuchlar (masalan, ishqalanish, aloqa kuchlari va boshqalar) ushbu toʻrtta asosiy kuchdan kelib chiqadi va ular asosiy boʻlmagan kuchlar deb nomlanadiBrowne, "Physics for Engineering and Science, " p. 160: „Gravity is one of the fundamental forces of nature. The other forces such as friction, tension, and the normal force are derived from the electric force, another of the fundamental forces. Gravity is a rather weak force… The electric force between two protons is much stronger than the gravitational force between them.“.

Taxminan aytganda, atomlar orasidagi oʻzaro taʼsirda ishtirok etadigan barcha kuchlarni elektr zaryadlangan atom yadrolari va atomlarning elektronlari oʻrtasida harakat qiluvchi elektromagnit kuch bilan izohlash mumkin. Elektromagnit kuchlar, shuningdek, bu zarrachalarning harakatlari bilan impulsni qanday koʻtarishini tushuntiradi. Bunga tanamizdagi alohida molekulalar va ob’ektlardagi molekulalar oʻrtasida harakat qiluvchi molekulalararo kuchlar natijasida kelib chiqadigan oddiy moddiy ob’ektlarni „itarish“ yoki „tortish“ boʻyicha biz boshdan kechiradigan kuchlar kiradi. Elektromagnit kuch kimyoviy hodisalarning barcha shakllarida ham ishtirok etadi

Atom ichidagi va molekulalararo kuchlarni tushunishning zaruriy qismi bu elektronlar harakatining impulsi natijasida hosil boʻlgan samarali kuchdir, masalan, elektronlar oʻzaro taʼsir qiluvchi atomlar orasida harakatlanayotganda ular oʻzlari bilan impulsni olib yurishadi. Elektronlar toʻplami cheklangan boʻlib, ularning minimal impulsi tufayli albatta ortadi Pauli chiqarib tashlash printsipi. Moddaning molekulyar miqyosdagi harakati, shu jumladan uning zichligi elektromagnit kuch va elektronlarning oʻzlari olib boradigan impuls almashinuvi natijasida hosil boʻlgan kuch oʻrtasidagi muvozanat bilan belgilanadiPurcell, "Electricity and Magnetism, 3rd Edition, " p. 546: Ch 11 Section 6, „Electron Spin and Magnetic Moment.“.

 Klassik elektrodinamikasi 
1600-yilda, Uilyam Gilbert uning ichida taklif qildi De Magnete, bu elektr va magnetizm, ikkalasi ham ob’ektlarni jalb qilish va itarishga qodir boʻlsa-da, alohida effektlar edi. Dengizchilar chaqmoq chaqishi kompas ignasini bezovta qilish qobiliyatiga ega ekanligini payqashgan. 1752-yilda Benjamin Franklin tomonidan taklif qilingan tajribalar 10-yilda oʻtkazilgunga qadar chaqmoq va elektr oʻrtasidagi bogʻliqlik tasdiqlanmadi.1752-yil may fransuz Tomas-Fransua Dalibard tomonidan uçurtma oʻrniga temir tayoq va u bulutdan elektr uchqunlarini muvaffaqiyatli chiqarib oldi.

Sunʼiy elektr toki va magnitlanish oʻrtasidagi bogʻliqlikni birinchi boʻlib kashf etgan va nashr etganlardan biri Gian Romagnosi boʻlib, u 1802-yilda simni voltaik qoziq boʻylab ulash yaqin atrofdagi kompas ignasini burishganini payqadi. Biroq, taʼsir 1820-yilgacha, Orsted shunga oʻxshash tajribani oʻtkazgunga qadar maʼlum boʻlmadi. Orstedning ishi Amperga elektromagnitizm nazariyasini yaratishga taʼsir qildi, bu mavzuni matematik asosga qoʻydi.

Klassik elektromagnetizm deb nomlanuvchi elektromagnetizm nazariyasi 1820—1873-yillar oraligʻida turli fiziklar tomonidan ishlab chiqilgan boʻlib, u Jeyms Klerk Maksvellning risolasini nashr etish bilan yakunlangan boʻlib, oldingi ishlanmalarni yagona nazariyaga birlashtirgan va elektromagnit tabiatni kashf etgan. yorugʻlikdanPurcell, p. 436. Chapter 9.3, „Maxwell’s description of the electromagnetic field was essentially complete.“. Klassik elektromagnitizmda elektromagnit maydonning harakati Maksvell tenglamalari deb nomlanuvchi tenglamalar toʻplami bilan tavsiflanadi va elektromagnit kuch Lorents kuch qonuni bilan beriladiPurcell: p. 278: Chapter 6.1, „Definition of the Magnetic Field.“ Lorentz force and force equation..

Klassik elektromagnetizmning oʻziga xos xususiyatlaridan biri shundaki, klassik mexanika bilan yarashish qiyin, lekin u maxsus nisbiylik bilan mos keladi. Maksvell tenglamalariga koʻra, yorugʻlikning vakuumdagi tezligi universal konstanta boʻlib, faqat boʻsh joyning elektr oʻtkazuvchanligi va magnit oʻtkazuvchanligiga bogʻliq. Bu klassik mexanikaning uzoq vaqtdan beri davom etayotgan poydevori boʻlgan Galiley oʻzgarmasligini buzadi. Ikki nazariyani (elektromagnitizm va klassik mexanika) uygʻunlashtirish usullaridan biri yorugʻlik tarqaladigan nurli efir mavjudligini taxmin qilishdir. Biroq, keyingi eksperimental harakatlar efir mavjudligini aniqlay olmadi. Hendrik Lorentz va Anri Puankarening muhim hissalaridan soʻng, 1905 yilda Albert Eynshteyn klassik kinematikani klassik elektromagnetizmga mos keladigan yangi kinematik nazariya bilan almashtirgan maxsus nisbiylik nazariyasini joriy qilish bilan muammoni hal qildi. (Qoʻshimcha maʼlumot olish uchun maxsus nisbiylik tarixiga qarang.)

Bundan tashqari, nisbiylik nazariyasi shuni anglatadiki, harakatlanuvchi mos yozuvlar doiralarida magnit maydon nolga teng boʻlmagan elektr komponentli maydonga aylanadi va aksincha, harakatlanuvchi elektr maydon nolga teng boʻlmagan magnit komponentga aylanadi va shu bilan hodisalar bir xil tanganing ikki tomoni ekanligini aniq koʻrsatib beradi. Shuning uchun „elektromagnetizm“atamasi. (Qoʻshimcha maʼlumot uchun qarang klassik elektromagnetizm va maxsus nisbiylik va klassik elektromagnetizmning kovariant formulasi).

 Chiziqli boʻlmagan hodisalarga kengaytma 
Maksvell tenglamalari chiziqli boʻlib, ning oʻzgarishi (zaryadlar va oqimlar) maydonlarning mutanosib oʻzgarishiga olib keladi. Chiziqli boʻlmagan dinamika elektromagnit maydonlar chiziqli boʻlmagan dinamik qonunlarga muvofiq materiya bilan birlashganda paydo boʻlishi mumkin. Bu, masalan, Maksvell nazariyasini Navier-Stoks tenglamalari bilan birlashtirgan magnithidrodinamika fanida oʻrganiladi.

 Miqdorlar va birliklar 
Quyida elektromagnetizm bilan bogʻliq umumiy birliklar roʻyxati keltirilgan:

 ampere (electric current)
 coulomb (electric charge)
 farad (capacitance)
 henry (inductance)
 ohm (resistance)
 siemens (conductance)
 tesla (magnetic flux density)
 volt (electric potential)
 watt (power)
 weber (magnetic flux)

 In elektromagnit CCS tizim, elektr toki orqali aniqlangan asosiy miqdor Ampkoʻprik qonuni va qabul qiladi oʻtkazuvchanlik oʻlchovsiz miqdor sifatida (nisbiy oʻtkazuvchanlik) vakuumdagi qiymati birlik. Elektromagnit CGS tizimida elektr toki Amper qonuni orqali aniqlangan asosiy miqdor boʻlib, oʻtkazuvchanlikni vakuumdagi qiymati birlik boʻlgan oʻlchovsiz miqdor (nisbiy oʻtkazuvchanlik) sifatida qabul qiladi. Natijada, yorugʻlik tezligining kvadrati ushbu tizimdagi miqdorlarni oʻzaro bogʻlaydigan baʼzi tenglamalarda aniq koʻrinadi. Elektromagnetizmning fizik qonunlari uchun formulalar (masalan Maksvell tenglamalari) qaysi birliklar tizimidan foydalanishiga qarab sozlanishi kerak. Buning sababi shundaki, mexanik birliklarda boʻlgani kabi si va CGSdagi elektromagnit birliklar oʻrtasida birma-bir yozishmalar mavjud emas. Bundan tashqari, CGS ichida turli xil „sub-tizimlar“ ga, shu jumladan Gauss, „ESU“, „EMU“ va Heaviside-Lorentzga olib keladigan elektromagnit birliklarning bir nechta ishonchli tanlovi mavjud. Ushbu tanlovlar orasida Gauss birliklari bugungi kunda eng keng tarqalgan va aslida „CGS birliklari“ iborasi koʻpincha CGS-Gauss birliklariga murojaat qilish uchun ishlatiladi.

 Ilovalar 
Elektromagnetizmni oʻrganish elektr zanjirlari va yarim oʻtkazgichli qurilmalarning qurilishi haqidagi maʼlumotlarni beradi.

 Yana qarang 

 Abraham–Lorentz force
 Aeromagnetic surveys
 Computational electromagnetics
 Double-slit experiment
 Electromagnet
 Electromagnetic induction
 Electromagnetic wave equation
 Electromagnetic scattering
 Electromechanics
 Geophysics
 Introduction to electromagnetism
 Magnetostatics
 Magnetoquasistatic field
 Optics
 Relativistic electromagnetism
 Wheeler–Feynman absorber theory
 

 

 
  

 Darsliklar 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  

 

 Magnit maydon kuchini oʻzgartiruvchi
 Elektromagnit kuch — Erik Vaysshteynning Fizika olamidan
Turkum:Elektromagnetizm