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 

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:
 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.
 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.
 Električna struja u žici stvara kružno magnetno polje oko žice, njegov pravac (u smjeru ili suprotno od smjera kazaljke na satu) zavisi od struje.
 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.

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.
U vrijeme otkrića, Ørsted nije predložio odgovarajuće objašnjenje 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.

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.VIII. 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 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." Whittaker, 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.

 Fundamentalne sile 
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.Browne, "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."

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.Purcell, "Electricity and Magnetism, 3rd Edition," p. 546: Ch 11 Section 6, "Electron Spin and Magnetic Moment."

Veličine i jedinice

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.
 SimbolIme veličineIzvedene jediniceJedinicaU 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)  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

Reference

Dalje čitanje

Web izvori



Bilješke





Knjige















Opšte reference











 Vanjski linkovi 


 Elektromagnetna sila - iz Eric Weissteinove World of Physics

 Kvantizirana elektromagnetna sila  - Dobar uvod za djecu

 Elektromagnetizam skraćeno