Электромагнитизм

Физикада электромагнетизм — бул электрдик заряддуу бөлүкчөлөрдүн электромагниттик талаалар аркылуу өз ара аракеттенүүсү. Электромагниттик күч — жаратылыштын төрт негизги күчтөрүнүн бири. Бул атомдор менен молекулалардын өз ара аракеттенүүсүндө үстөмдүк кылуучу күч. Электромагнитизмди электростатика менен магнетизмдин, эки өзүнчө, бирок бири-бири менен тыгыз байланышкан кубулуштардын жыйындысы катары кароого болот. Электромагниттик күчтөр ар кандай эки заряддуу бөлүкчөлөрдүн ортосунда пайда болуп, карама-каршы заряддалган бөлүкчөлөрдүн ортосунда тартылууну жана окшош заряддуу бөлүкчөлөрдүн ортосунда түртүүнү пайда кылат, ал эми магнетизм салыштырмалуу кыймылда заряддалган бөлүкчөлөрдүн ортосунда гана пайда болуучу өз ара аракеттенүү. Бул эки эффект биригип, заряддалган бөлүкчөлөрдүн айланасында электромагниттик талааларды жаратат, алар Лоренц күчү аркылуу башка заряддалган бөлүкчөлөрдү ылдамдата алат. Жогорку энергияларда алсыз күч менен электромагниттик күч бир электр алсыз күч катары бириктирилет.

Электромагнитизм байыркы доорлордон бери изилденип келет. Көптөгөн байыркы цивилизациялар, анын ичинде гректер менен майялар чагылгандын, статикалык электрдин жана темир рудасынын магниттелген бөлүктөрүнүн ортосундагы тартууну түшүндүрүү үчүн кеңири теорияларды иштеп чыгышкан. Бирок 18-кылымдын аягында гана окумуштуулар электромагниттик өз ара аракеттенүүнүн табиятын түшүнүү үчүн математикалык негизди иштеп чыга башташты. 18-19-кылымдарда белгилүү окумуштуулар жана математиктер Кулон, Гаусс жана Фарадей электромагниттик талаалардын пайда болушун жана өз ара аракеттенүүсүн түшүндүрүүгө жардам берген мыйзамдар деп аталган мыйзамдарды иштеп чыгышкан. Бул процесс 1860-жылдары классикалык электромагниттик талаалардын толук сүрөттөлүшүн камсыз кылган төрт жарым-жартылай дифференциалдык теңдемелердин жыйындысы болгон Максвелл теңдемелеринин ачылышы менен аяктады. Максвеллдин теңдемелери илимпоздор кылымдар бою изилдеп келген электр жана магнетизмдин ортосундагы байланыштын ишенимдүү математикалык негизин берүүдөн тышкары, өзүн-өзү кармап турган электромагниттик толкундардын бар экенин да алдын ала айткан. Максвелл мындай толкундар көзгө көрүнгөн жарыкты түзөт деген гипотеза жасаган, кийин анын чындыгы далилденген. Чынында, гамма нурлары, рентген нурлары, ультрафиолет, көзгө көрүнгөн, инфракызыл нурлар, микротолкундар жана радио толкундар жыштык диапазондору боюнча гана айырмаланган электромагниттик нурлануу экендиги аныкталган.

Заманбап физиканын,анын ичинде кванттык механиканын жана салыштырмалуулуктун таасирин эсепке алуу үчүн азыркы убакта окумуштуулар электромагнетизм теоремасын тактоо иштерин улантышты. Чынында, электромагнетизмдин теориялык кесепеттери, атап айтканда, жарыктын ылдамдыгын чачыраткыч "орточулуктун" (өткөргүчтүк жана өткөрүмдүүлүк) касиеттеринин негизинде аныктоо Эйнштейндин 1905-жылкы атайын салыштырмалуулук теориясына дем берген. Бирок кванттык электродинамика (QED) талаасы заттын квантталган табиятына ылайыкташтыруу үчүн Максвеллдин теңдемелерин өзгөрткөн. QEDде электромагниттик талаа жарыктын физикалык кванттары болгон фотондор деп аталган дискреттик бөлүкчөлөр менен көрсөтүлөт. Бүгүнкү күндө электромагнетизмде көптөгөн чечилбеген көйгөйлөр бар. Мисалы, магниттик монополдордун болушу жана кээ бир организмдердин электр жана магнит талаасын сезе турган механизми.

 Негизги күчтөр 
Электромагниттик күч төрт белгилүү негизги күчтөрдүн бири жана эң күчтүү (күчтүү ядролук күчтөн кийинки) чексиз диапазондо иштеген экинчи. Башка негизги күчтүү жактары:

 кварктарды нуклондорду жана нуклондорду ядролорду пайда кылуу үчүн байланыштырган күчтүү ядролук күч; ал төрт белгилүү элементардык күчтөрдүн эң күчтүүсү, бирок кыска аралыкта гана иштейт;
 Стандарттык моделдеги бардык белгилүү бөлүкчөлөр менен байланышкан жана радиоактивдүү ажыроонун кандайдыр бир түрүн пайда кылган алсыз ядролук күч; ал төрт негизги күчтүн экинчи алсызы болуп саналат жана күчтүү ядролук күч сыяктуу эле, кыска аралыкта гана иштейт (бөлүкчөлөр физикасында электрдик алсыз күч бирден-бир сүрөттөлүш. Табияттын белгилүү төрт негизги күчтөрүнүн экөөсү: электромагнетизм жана алсыз күч);
 тартылуу күчү бөлүкчөлөр физикасынын стандарттык моделине кирбеген төрт негизги күчтүн жалгыз бири; Төрт негизги күчтүн эң алсызы болсо да, тартылуу күчү электромагнетизм менен бирге чексиз диапазондо иштейт.

Калган бардык күчтөр (мисалы, сүрүлүү, контакттык күчтөр ж.б.) ушул төрт негизги күчтөн келип чыгат жана негизги эмес күчтөр деп аталат.

Болжол менен айтканда,атомдордун өз ара аракеттенүүсүнө катышкан бардык күчтөрдү электрдик заряддуу ядролор менен атомдордун электрондорунун ортосунда аракеттенүүчү электромагниттик күч менен түшүндүрүүгө болот. Электромагниттик күчтөр бул бөлүкчөлөрдүн кыймылдары менен кандай импульс алып жүргөнүн түшүндүрөт. Булар денебиздеги айрым молекулалардан келип чыккан кадимки материалдык объектилерди "түртүү" же "тартуу" үчүн биз башыбыздан өткөргөн күчтөрдү жана объекттердеги молекулалардын ортосунда аракеттенген молекулалар аралык күчтөрдү камтыйт. Электромагниттик күч химиялык кубулуштардын бардык түрлөрүндө да катышат. 

Атом ичи жана молекулалар аралык күчтөрдү түшүнүүнүн маанилүү бөлүгү электрон кыймылынын импульсунан келип чыккан эффективдүү күч болуп саналат. Мисалы электрондор өз ара аракеттенген атомдордун ортосунда кыймылдаганда алар өзү менен импульс алып жүрүшөт. Электрондордун жыйындысы чектелген жана алардын минималдуу импульсу Паули алып салуу принцибинен улам сөзсүз түрдө жогорулайт. Заттын молекулярдык масштабдагы кыймылы анын тыгыздыгы менен кошо электромагниттик күч менен электрондордун өздөрү алып жүргөн импульстун алмашуусу натыйжасында пайда болгон күчтүн ортосундагы тең салмактуулук менен аныкталат.

 Классикалык электродинамика 
1600-жылы Уильям Гилберт өзүнүн De Magnete аттуу эмгегинде электр жана магнетизм объекттерди тартууга жана түртүүгө жөндөмдүү болгонуна карабастан, өзүнчө эффекттер экенин сунуш кылган. Моростор чагылгандын компастын ийнесин бузууга жөндөмдүү экенин байкашкан. Чагылган менен электрдин ортосундагы байланыш 1752-жылы Бенжамин Франклин тарабынан жүргүзүлгөн эксперименттерге чейин тастыкталган эмес.1752-жылы май айында 40-fut-tall (12m) батперектин ордуна темир таяк, ал булуттан электр учкундарын ийгиликтүү чыгарган.

Жасалма электр жана магнетизмдин ортосундагы байланышты биринчилерден болуп ачып,жарыялагандардын бири Джан Ромагноси болгон, ал 1802-жылы зымды вольттук уюлдан өткөрүү жакын жердеги компас ийнесин буруп салганын байкаган. Бирок, таасири 1820-жылга чейин белгилүү болгон эмес, Орстед ушундай эле эксперимент жүргүзгөн. Орстеддин иши Амперге электромагнетизм теориясын өнүктүрүүгө таасир эткен, ал предметти математикалык негизге койгон.

Классикалык электромагнетизм деп аталган электромагнетизм теориясы 1820-1873-жылдары ар кандай физиктер тарабынан иштелип чыккан,анын аягы Жеймс Клерк Максвеллдин трактатынын жарыяланышы менен аяктаган, ал мурунку өнүгүүлөрдү бирдиктүү теорияга бириктирген жана электромагниттик табиятты ачкан. Классикалык электромагнетизмде электромагниттик талаанын жүрүм-туруму Максвелл теңдемелери деп аталган теңдемелердин жыйындысы менен сүрөттөлөт, ал эми электромагниттик күч Лоренц күч мыйзамы менен берилет.

Классикалык электромагнетизмдин өзгөчөлүгү классикалык механика менен элдештирүү кыйын,бирок өзгөчө салыштырмалуулук менен шайкеш келет. Максвеллдин теңдемелерине ылайык, вакуумдагы жарыктын ылдамдыгы универсалдуу константа болуп саналат жана бош мейкиндиктин электр өткөрүмдүүлүгүнө жана магниттик өткөрүмдүүлүгүнө гана көз каранды. Бул Галилеялык инвариантты, классикалык механиканын көптөн бери келе жаткан негизин бузат. Эки теорияны (электромагнитизм жана классикалык механика) элдештирүүнүн бир жолу — жарык таралуучу жаркыраган эфирдин бар экендигин болжолдоо. Бирок кийинки эксперименталдык аракеттер эфирдин бар экенин аныктай алган жок. Хендрик Лоренц менен Анри Пуанкаренин маанилүү салымдарынан кийин, 1905-жылы Альберт Эйнштейн классикалык кинематиканы классикалык электромагнетизмге шайкеш келген жаңы кинематикалык теория менен алмаштырган атайын салыштырмалуулук теориясын киргизүү менен маселени чечкен. 

 Сызыктуу эмес кубулуштарга кеңейтүү 
Максвеллдин теңдемелери сызыктуу жана булактардын өзгөрүшү (заряддар жана токтар) талаалардын пропорционалдуу өзгөрүшүнө алып келет. Сызыктуу эмес динамика электромагниттик талаалар сызыктуу эмес динамикалык мыйзамдарга ылайык зат менен өз ара аракеттенгенде пайда болушу мүмкүн. Бул мисалы, Максвеллдин теориясы менен Навье-Стокс теңдемелерин бириктирген магнитогидродинамика окуусунда изилденет.

 Сандар жана бирдиктер 
Төмөндө электромагнетизмге байланыштуу жалпы бирдиктердин тизмеси келтирилген:
 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)
Электромагниттик CCS системасында электр тогу менен аныкталуучу негизги чоңдук Ампбридж мыйзамы болуп саналат жана өткөргүчтүктү бирдиктин мааниси менен вакуумдагы өлчөмсүз чоңдук (салыштырмалуу өткөргүчтүк) катары кабыл алат. Электромагниттик CGS системасында электр тогу Ампер мыйзамы менен аныкталган негизги чоңдук болуп саналат, ал эми өткөрүмдүүлүк вакуумдагы бирдиктин мааниси менен өлчөмсүз чоңдук (салыштырма өткөргүчтүк) катары каралат. Натыйжада жарыктын ылдамдыгынын квадраты бул системадагы чоңдуктарга тиешелүү кээ бир теңдемелерде ачык көрүнөт. Электрмагнетизмдин физикалык мыйзамдарынын формулалары (мисалы, Максвелл теңдемелери) кайсы бирдиктердин системасы колдонулганына жараша туураланууга тийиш.Себеби,механикалык бирдиктердегидей CGSде si жана электромагниттик бирдиктердин ортосунда бирден катнаш жок. Кошумча, CGS ичинде Гаусс, 'ESU', 'EMU' жана Heaviside-Lorentz сыяктуу ар кандай "суб-системаларга" алып баруучу электромагниттик бирдиктердин күчтүү тандоосу бар.Бул тандоолордун ичинен гаусс бирдиктери бүгүнкү күндө эң кеңири таралганы жана чындыгында CGS-гаусс бирдиктерин көрсөтүү үчүн "CGS бирдиктери" деген сөз айкашы көп колдонулат.

 Тышкы шилтемелер 

 Магниттик талаа күчүн өзгөртүүчү
 Электромагниттик күч