الکترومغناطیس
الکترومغناطیس شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریهٔ الکترومغناطیس این نیروها به وسیلهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتند. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها کنار هم نگه می‌دارد. درحقیقت عامل همهٔ نیروهای درون مولکولی، نیروی الکترومغناطیسی است.
نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتاً به یکدیگر مربوطند. تغییر میدان الکتریکی با زمان، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. همچنین تغییر میدان مغناطیسی با زمان، میدان الکتریکی تولید می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته می‌شود و اساس کار ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها است. میدان الکتریکی عامل چند پدیدهٔ معمول مانند پتانسیل الکتریکی (ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (جریان برق)، و میدان مغناطیسی عامل رانش و ربایش آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی، نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن فرض می‌شود که ذرات حامل (به نام فوتون مجازی) بین ذرات باردار مبادله می‌شود.
مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به ارائه نظریه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.
در ابتدا تصور این بود که الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده جدا از هم هستند. با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۷۳ میلادی که در آن وی نشان داد تعامل بارهای مثبت و منفی توسط یک نیرو صورت می‌گیرد، این دیدگاه تغییر کرد. چهار اثر عمده ناشی از تداخل این دو وجود دارد که به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند.
زمانی که هانس کریستین اورستد در حال آماده شدن برای یک سخنرانی در شب ۲۱ آوریل سال ۱۸۲۰ میلادی بود، مشاهدات شگفت‌آوری کرد. او متوجه شد که سوزن قطب‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری قطع و وصل می‌شد، منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تأثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. او یافته‌های خود را به چاپ رساند که نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی می‌کند. واحد القاء مغناطیسی Oersted است و به افتخار او نام‌گذاری شده‌است. پدیده القای الکترومغناطیسی که بعدها توسط مایکل فارادی مشاهده شد، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش یافت و بخشی از آن دوباره توسط الیور هِویساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد که یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن نوزدهم میلادی به‌شمار می‌رود. از آن پس، الکترومغناطیس ٬همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده‌است. نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار نیروهای بنیادی طبیعت است. نیروی الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد. الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. این نیرو در انرژی‌های بسیار بالا، با نیروی هسته‌ای قوی متحد می‌شود که با نام نیروی الکترو قوی شناخته می‌شود.
نظریه دقیق الکترومغناطیس، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک، توسط فیزیک‌دانان قرن ۱۹ و در اوج کار جیمز کلارک ماکسول - که یکپارچه‌کننده پدیده‌های شناخته شده تا زمان خود به یک تئوری واحد و نیز کاشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است - شکل گرفت. در الکترومغناطیس کلاسیک، میدان الکترومغناطیسی توسط مجموعه‌ای از معادلات شناخته شده به عنوان معادلات ماکسول، و نیز نیروی الکترومغناطیسی بیان شده توسط قانون نیروی لورنتس توصیف می‌شود. الکترومغناطیس کلاسیک به سختی با مکانیک کلاسیک سازگار است، اما با نسبیت خاص سازگار است. در معادلات ماکسول، سرعت نور در خلأ ثابت و تنها وابسته به گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی در خلأ است. این موضوع اما ناقض قوانین سرعت گالیله‌ای (سنگ بنای مکانیک کلاسیک) است. یک راه برای آشتی دادن دو نظریه، فرض وجود محیطی به نام «اتر» است که نور در آن حرکت می‌کند. با این حال، پس از تلاش‌های تجربی فراوان، وجود اتر اثبات نشد. پس از کمک‌های مهم هندریک لورنتس و هانری پوانکاره، در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین مشکل را با نسبیت خاص حل کرد که جایگزین جدید تئوری حرکت‌شناسی کلاسیک شد و با الکترومغناطیس کلاسیک سازگار بود. علاوه بر این، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی در حال حرکت تبدیل به یک میدان الکتریکی غیر صفر و بالعکس می‌شود، بنابراین نشان می‌دهد که آن‌ها دو طرف یک سکه هستند، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» به این پدیده اطلاق شد.
نیروی لورنتس توسط میدان الکترومغناطیسی به ذرهٔ باردار متحرک وارد می‌شود که رابطهٔ آن به صورت زیر است:
formula_1
که formula_2 نشان دهندهٔ بردار نیرو، formula_3 مقدار بار الکتریکی ذره متحرک، formula_4 مقدار میدان الکتریکی، formula_5 بردار سرعت ذرهٔ متحرک و B بردار میدان مغناطیسی می‌باشد.
میدان الکتریکی formula_7 طبق رابطهٔ زیر تعریف می‌شود:
formula_8
که formula_9 نشان دهنده بار مثبت آزمون، formula_2 بردار نیروی الکتریکی وارد بر ذره باردار و formula_4 بردار میدان الکتریکی می‌باشد.
در شرایط الکتروستاتیک که ذرات باردار ساکن هستند، طبق قانون کولن برای n ذره باردار می‌توان نشان داد که میدان الکتریکی به صورت زیر بدست می‌آید:
formula_12
که formula_13 تعداد ذرات باردار، formula_14 بار هر ذره، formula_15 موقعیت هر ذره، formula_16 فاصله از میدان الکتریکی و formula_17 ثابت گذردهی خلاء است.
حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت:
که formula_19 چگالی بار و حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده‌است.
می‌توان کمیتی اسکالر به نام پتانسیل الکتریکی formula_20 برای میدان الکتریکی تعریف کرد. در شرایط الکتروستاتیک، به دلیل صفر بودن چرخش میدان الکتریکی (که ناشی از ماهیت مرکزی نیرو در قانون کولن است)، میدان الکتریکی formula_4 برابر خواهد بود با منفی گرادیان formula_20. یعنی (در حالت الکتروستاتیک) می‌شود نوشت:
formula_23
از این رابطه می‌توان بُعد formula_4 را به‌صورت formula_25 (ولت بر متر) نشان داد. با اعمال قضیه استوکس می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه برابر است با:
formula_26
که formula_27 مسیری است که روی آن از میدان انتگرال گرفته می‌شود.
برای یک بار نقطه‌ای ساکن می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل الکتریکی از رابطهٔ زیر بدست می‌آید:
formula_28
که formula_3 بار ذره، formula_30 موقعیت هر ذره، formula_16 فاصله از بار الکتریکی و formula_17 ثابت گذردهی خلاء است. در شرایطی که بار می‌تواند آزادانه حرکت کند (حالت غیر ایستا). این رابطه با پتانسیل لینارد-ویشرت جایگزین می‌گردد که همانند قبل برای یک توزیع بار پیوسته خواهیم داشت:
formula_33
که formula_19 چگالی بار است (حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده).
در دستگاه یکاهای SI، یکاهای کمیت‌های الکترومغناطیسی عبارتند از:
روابط الکترومغناطیس در دستگاه‌های یکاهای مختلف شکل یکسانی ندارند و در نتیجه تبدیل آن‌ها از دستگاهی به دستگاه دیگر ساده نیست. برای دیدن روابط الکترومغناطیس در دستگاه یکاهای گوناگون به معادلات ماکسول رجوع کنید.Nave, R. , Magnetic Field Strength H, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ Keitch, Paul ([– Scholar search), Magnetic Field Strength and Magnetic Flux Density, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ Oppelt, Arnulf (2006-11-02), magnetic field strength, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ magnetic field strength converter, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴