Sähkömagnetismi

Sähkömagnetismi on fysiikan ala, joka tutkii sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyviä ilmiöitä. Sähkömagneettinen vuorovaikutus on yksi neljästä perusvuorovaikutuksesta, ja se välittyy sähkömagneettisen kentän kautta. Sähköiset ja magneettiset ilmiöt ovat sähkömagnetismin kaksi eri puolta, jotka kuitenkin liittyvät kiinteästi yhteen. 

Sähköä ja magnetismia pidettiin erillisinä ilmiöinä 1800-luvun alkupuolelle asti, kunnes tanskalainen fyysikko Hans Christian Ørsted havaitsi, että johdossa kulkeva sähkövirta synnyttää ympärilleen magneettikentän. Käänteisen ilmiön, magneettikentän indusoiman sähkövirran, havaitsi englantilainen fyysikko Michael Faraday. James Clerk Maxwell kokosi sähköä ja magnetismia koskevat erilliset lait 1860-luvulla yhtenäiseksi teoriaksi, joka ennusti sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon ja viittasi siihen, että myös valo on sähkömagneettista säteilyä.Heinrich Hertz osoitti kokeellisesti Maxwellin teorian ennustamien radioaaltojen olemassaolon vuonna 1888.

Sähkömagnetismin sovellukset läpäisevät koko modernin yhteiskunnan. Sähkömagnetismin teoria mahdollistaa muun muassa sähkövoimatekniikan ja elektroniikan. Sähköenergia on yksi modernin yhteiskunnan perustarpeista.

Sähkömagnetismin teorialla on ollut keskeinen rooli modernin fysiikan kehityksessä. Ensinnäkin oletus, että valon nopeus on sama kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa, johti Albert Einsteinin erityiseen suhteellisuusteoriaan vuonna 1905. Max Planckin ehdottama mustan kappaleen säteilylaki ja Albert Einsteinin valosähköisen ilmiön selitys puolestaan osoittivat, että valo voi absorboitua ja emittoitua vain erillisinä kvantteina, joita kutsutaan fotoneiksi. Tämä johti kvanttimekaniikan kehittämiseen. Kvanttimekaniikan teoria, joka kuvaa sähkömagneettista kenttää tunnetaan nimellä kvanttielektrodynamiikka. Korkeissa energioissa heikko vuorovaikutus yhdistyy sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kanssa sähköheikoksi vuorovaikutukseksi.

Perusteet 

Sähkömagneettinen vuorovaikutus on yksi neljästä perusvuorovaikutuksesta vahvan ja heikon vuorovaikutuksen sekä gravitaation lisäksi. Vahva ja heikko vuorovaikutus ovat merkittäviä hyvin pienessä kokoluokassa. Gravitaatio sen sijaan on merkittävä suuressa kokoluokassa, niin että se määrittää esimerkiksi planeettojen liikkeet. Arkipäivän kokoluokassa sähköinen vuorovaikutus on kaikkein voimakkain vuorovaikutus. Siinä missä gravitaatio vaikuttaa massallisten kappaleiden välillä, sähkömagneettinen vuorovaikutus vaikuttaa kaikkien sähköisesti varattujen hiukkasten välillä. Jos niiden varaukset ovat keskenään samanmerkkiset, ne hylkivät toisiaan, mutta jos ne ovat erimerkkiset, hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus sitoo negatiivisesti varatut elektronit positiivisesti varatun atomiytimen ympärille, ja mahdollistaa erilaisten kiinteiden ja nestemäisten aineiden muodostumisen. Protonin ja elektronin välinen sähkö­magneettinen vuoro­vaikutus on noin 1039 kertaa voimakkaampi kuin niiden välinen gravitaatiovuorovaikutus. Juuri sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuuden takia makro­skooppisissa kappaleissa ei yleensä ole netto­sähkö­varausta tai se on hyvin pieni. Sen vuoksi suurilla etäisyyksillä kappaleiden väliset sähköiset veto- ja poisto­voimat kumoavat toisensa, ja esimerkiksi taivaankappaleiden liikkeisiin vaikuttaakin käytännössä yksinomaan gravitaatio. Kaksi muuta perus­vuoro­vaikutusta, vahva ja heikko vuorovaikutus taas vaikuttavat vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä, käytännössä vain atomi­ytimien sisällä. Myös kontaktivoimat kappaleiden välillä perustuvat sähkömagneettiseen voimaan.

Maxwellin yhtälöt 

Maxwellin yhtälöt on neljän yhtälön kokoelma, joka kuvaa varausten ja sähkövirtojen synnyttämien sähkö- ja magneettikenttien käyttäytymistä. Yhtälöjoukko on nimetty fyysikko James Clerk Maxwellin mukaan, joka julkaisi yhtälöt vuonna 1861. Maxwellin yhtälöt kokosivat joukon aiemmin tunnettuja empiirisiä lakeja yhtenäiseksi systeemiksi. Oliver Heaviside kirjoitti yhtälöt vektorianalyysin avulla nykyisin tunnettuun vektorimuotoon vuonna 1884.

Yhtälöryhmän neljä yhtälöä tunnetaan erikseen nimillä Gaussin laki sähkökentille,Gaussin lain magneettikentille, Faradayn induktiolaki ja Ampèren-Maxwellin laki. Ensimmäiset kaksi kertovat että sähkövaraus toimii sähkökentän lähteenä ja että magneettikenttä puolestaan on lähteetön, niin ettei magneettisia monopoleja ole olemassa. Jälkimmäiset kaksi sen sijaan kertovat että ajallisesti muuttuva magneettikenttä synnyttää pyörteisen sähkökentän, ja että sähkövirta tai muuttuva sähkökenttä synnyttävät pyörteisen magneettikentän. 

Maxwellin yhtälöt ennustivat sähkömagneettisen säteilyn, joka yhtälöiden mukaan etenee tyhjässä avaruudessa nopeudella, joka voidaan laskea tunnettujen luonnonvakioiden avulla. Maxwell huomasi että tämä nopeus vastasi valon nopeuden tunnettua arvoa, ja päätteli valon olevan sähkömagneettista säteilyä. Myöhemmin vuonna 1888 Heinrich Hertz osoitti, että valon nopeudella eteneviä sähkömagneettisia aaltoja, tosin pidempiaaltoisia (matala taajuisempia) ja täten ihmissilmälle näkymättömiä, voidaan saada aikaan sähkömagneettisten värähtelypiirien avulla.

Maxwellin yhtälöt mallintavat sähkömagneettiset ilmiöt vain puoliksi, sillä ne kuvaavat vain sähkömagneettisten kenttien dynamiikkaa, mutta eivät ota kantaa siihen miten varauksenkuljettajat (yleensä elektronit ja mahdollisesti ionit) käyttäytyvät sähkömagneettisessa kentässä. Varaustenkuljettajien liikkeen määrittämiseksi tarvitaan lisää yhtälöitä. Esimerkiksi pistemäiseen klassiseen hiukkaseen vaikuttaa Lorentzin voima ja se noudattaa Newtonin liikeyhtälöitä. Tietyn materiaalin vastetta sähköisiin ja magneettisiin kenttiin puolestaan kuvaavat sen permittiivisyys ja permeabiliteetti. Nämä materiaalin ominaisuudet voidaan periaatteessa laskea kvanttimekaniikan avulla.

Suuri osa sähkötekniikasta (sähkömoottorit, sähkön tuotanto, sähkön siirto, valokaapelit, radiot, lankapuhelin, tutkat jne.) perustuu Maxwellin yhtälöille. Usein sähkötekniikan sovelluksien mallintamiseen käytetään kuitenkin Maxwellin yhtälöiden tilannekohtaisia approksimaatioita, kuten esimerkiksi Kirchhoffin piirilakeja.

Sähkömagneettinen spektri 

Sähkömagneettinen spektri käsittää auringon säteilyn kaikki eri taajuiset säteilytyypit. Näitä ovat radioaallot, mikroaallot, infrapuna-aallot, näkyvä valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Näistä infrapunasäteilyllä on lämpöä tuottava vaikutus. Ultraviolettisäteily auttaa ihoa hyödyntämään auringon energiaa d-vitamiinin muodostuksessa, mutta pitkäaikainen tai voimakas altistuminen ultraviolettisäteilylle on haitallista. Se aiheuttaa auringonpolttamia ja erittäin suuri altistus voi aiheuttaa syöpää. Eri säteilylajeja käytetään hyödyksi tietyillä tekniikan keinoilla. Radioaaltoja hyödynnetään radiolähetyksissä, mikroaaltoja hyödynnetään mikroaaltouuneissa ja röntgensäteitä hyödynnetään röngenkuvauksissa.

Sähködynamiikan ilmiöt 

Sähködynamiikkaan kuuluvat sähkövirran lisäksi tietyn kappaleen sähkövaraus. Sähkövirran vaikutukseen vaikuttavat jännitteen voimakkuus ja sähkövirran kohteena olevan kappaleen resistanssi, eli sähkövirran vastustus. Sähködynamiikan ilmiöitä ovat myös Coulombin laki ja sähkökentän yhtenäisyys. Sähkövirran vaikutukseen vaikuttaa myös virran vaikutuksen kohteena olevan kappaleen konduktanssi eli johtavuus, joka on resistanssin vastavoima.

Sovellukset

Klassisen sähkömagnetismin historia

Suhteellisuusteorian synty 

Yleinen suhteellisuusteoria syntyi 1900-luvulla ja samaan aikaan kehitettiin myös kvanttifysiikan teorioita ja tutkittiin sähkömagneettista spektriä. Nämä 1900-luvun fysiikan tutkimukset ovat pohjautuneet 1800-luvulta peräisin oleviin sähkömagnetiikan tietoihin. Valo, joka on sähkömagneettista säteilyä, suppean suhteellisuusteorian mukaan liikkuu tyhjiössä aina  samalla nopeudella.

Kvanttimekaniikka ja sähkömagnetismin kehitys 

Kvanttisähködynamiikka on relativistinen kvanttikenttäteoria, joka kuvaa varattujen hiukkasten ja kvantisoidun sähkömagneettisen kentän välistä vuorovaikutusta.

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

Opetus.tv: Fysiikan etäopiskeluympäristö, Sähkömagnetismi
 Tiedeykkönen: Moderni maailmamme perustuu sähkömagnetismiin ja Maxwellin yhtälöihin Yle Areena (audio)
Yle, Areena : Atomi, Jakso 4: Sähkömagneettinen vuorovaikutus pitää atomin kasassa

Seulonnan keskeiset artikkelit