Elektromanyetizma

Elektromanyetizma, elektrikle yüklü parçacıklar arasındaki etkileşime neden olan fiziksel kuvvet'tir. Bu etkileşimin gerçekleştiği alanlar, elektromanyetik alan olarak tanımlanır. Doğadaki dört temel kuvvetten biri, elektromanyetizmadır. Diğer üçü; güçlü etkileşim, zayıf etkileşim ve kütleçekim kuvvetidir.

Elektromanyetizma, yerçekimi dışında, günlük yaşamda karşılaşılan hemen hemen tüm fenomenlerden sorumlu etkileşimdir. Olağan madde, formunu her bir molekülünün arasındaki intermoleküler güçün bir sonucu olarak alır. Elektronlar atom çekirdeklerinin etrafındaki orbitallerde elektromanyetik dalga mekaniği tarafından moleküllerinin yapı taşları olan atomları oluşturmak için bağlı tutulurlar. Bu, kimyada, komşu atomların elektronları arasındaki etkileşimden doğan süreçleri yönetir. Atomlar arasındaki komşuluk, sırasıyla, elektronların elektromanyetik kuvvetleri ve momentumları tarafından belirlenir.

Elektromanyetizma, elektrik alanda da manyetik alanda da ortaya çıkar. Her iki alan da elektromanyetizmanın farklı sonuçlarıdır; ancak, öz itibarıyla birbirleriyle ilintilidirler. Bundan dolayı, değişen bir elektrik alan, bir manyetik alan üretir; değişen bir manyetik alan da, elektrik alanı oluşturur. Bu etki, elektromanyetik indüksiyon olarak tanımlanır ve elektrik jeneratörlerinin indüksiyon motorların ve transformatörlerin çalışma temelinde yer alır. Matematiksel olarak konuşursak, manyetik alanlar ve elektrik alanlar, bağıl hareket üzerinden 2. dereceden tensör ve bivektör kullanılarak birbirine dönüştürülebilir.

Elektrik alanlar, elektrik potansiyeli(örneğin, bir pil voltajı) ve elektrik akımı (örneğin, bir el fenerindeki elektrik akışı) gibi bazı ortak olayların nedenidirler. Manyetik alanlar, mıknatıslarla ilgili kuvvetin sebebidir.

Kuantum elektrodinamikte, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimler, sanal fotonlar olarak bilinen ve yüklü parçacıklar arasında değiş tokuş edilen haberci parçacıkların incelendiği Feynman diyagramları yöntemi kullanılarak hesaplanabilir. Bu yöntem pertürbasyon teorisi incelenerek elde edilebilir.

Elektromanyetizmanın teorik uygulamaları Albert Einstein'ın 1905 yılında özel görelilik teorisini geliştirmesinin önünü açtı.
Teorinin tarihi
Aslında, elektrik ve manyetizma iki ayrı kuvvet olarak düşünülüyordu. Bu görüş, 1873'te basılan, James Clerk Maxwell'in, içinde pozitif ve negatif yüklerin etkileşimlerinin tek kuvvetle düzenlendiği gösterilen Treatise on Electricity and Magnetism yayınıyla değişti. Deneyler ile açıkça gösterilmiş olan tüm bu etkileşimlerin dört ana etkisi vardır:
Elektrik yükleri, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir güç ile birbirlerini çekerler ya da iterler: Zıt yükler birbirini çeker, aynı yükler birbirini iter.
Benzer şekilde, manyetik kutuplar (ayrı noktalardaki kutuplaşmalar) birbirlerini çeker ya da iterler ve her zaman çift olarak ortaya çıkarlar: Her kuzey kutbu, manyetik alan çizgileriyle bir güney kutbuna bağlanmıştır.
Bir tel içerisindeki elektrik akımı, tel etrafında, yönü akıma bağlı olan (saat yönünde veya saat yönünün tersine), dairesel bir manyetik alan oluşturur.
Telin içinde, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket eden, döngü halindeki bir akım indüklenir. Benzer olarak bir mıknatıs, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket ettirildiğinde, akımın yönü bu harekete bağlı olarak değişir.

21 Nisan 1820 tarihinde bir akşam, Hans Christian Ørsted ders için hazırlarken, şaşırtıcı bir duruma tanık oldu. Malzemelerini hazırladığı sırada, kullandığı pildeki elektrik akımı açık ve kapalı iken pusula iğnesinin manyetik kuzeyden saptığını fark etti. Bu sapma, onu şuna ikna etti: Manyetik alan çizgileri, tıpkı ışık ve ısıda olduğu gibi, elektrik akım taşıyan bir telin her tarafından yayılıyordu. Bu durum da, elektrik ve manyetizma arasındaki doğrudan ilişkiyi teyit ediyordu.
Keşif sürecinde, Ørsted, olgunun herhangi bir tatmin edici açıklamasını yapmadı, onu matematiğe dökmeye de çalışmadı. Ancak, üç ay sonra daha yoğun araştırmalara başladı. Bundan kısa süre sonra da, bir teldeki elektrik akımının bir manyetik alan ürettiğini kanıtlayan bulgularını yayınladı. Onun elektromanyetizma konusuna yaptığı katkılardan dolayı, manyetik indüksiyon, CGS birimine göre (oersted) olarak isimlendirilmiştir.

Ørsted'in bulguları, bilim camiasında elektrodinamike dair yoğun araştırmaların kapısını açtı. Bulgular, Fransız fizikçi André-Marie Ampère'in, akım taşıyan iletkenler arasındaki manyetik kuvvetleri tanımlayan matematiksel formu geliştirmesini sağladı. Ayrıca, Ørsted'in keşfi birleştirilmiş bir enerji kavramına doğru büyük bir adım oldu.

Michael Faraday tarafından gözlemlenen, James Clerk Maxwell tarafından genişletilen ve Oliver Heaviside ile Heinrich Hertz tarafından kısmen yeniden formüle edilen bu kavram birleştirme, 19. yüzyılda matematiksel fizikin en önemli başarılarından biridir. Bu başarı, ışığın doğasını anlamak gibi uzun erimli sonuçlar doğurmuştur. Işık ve diğer elektromanyetik dalgalar, kuantize olan, kendi kendine yayılan manyetik alan titreşimleri diyebileceğimiz foton formunu alır. Farklı salınım frekansları, elektromanyetik radyasyonun farklı biçimlerini doğurur; en düşük frekanslardaki radyo dalgalarından, orta frekanslardaki görünür ışığa, en yüksek frekanslardaki gama ışınına.

Ørsted, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi inceleyen tek insan değildi. 1802 yılında Gian Domenico Romagnosi, İtalyan bir hukuk bilgini, elektrostatik yüklerle manyetik bir iğneyi saptırdı. Aslında, düzenekte galvanik akım yoktu ve bu nedenle elektromanyetizma da mevcut değildi. Keşfin bir dökümü, 1802 yılında, bir İtalyan gazetesinde yayınlandı. Ancak, çağın bilim camiası tarafından büyük ölçüde göz ardı edildi.
Genel

Elektromanyetik kuvvet, bilinen dört temel kuvvetten biridir. Diğer temel kuvvetler: nükleonları oluşturmak için kuarkları bağlayan ve çekirdekleri oluşturmak için nükleonları bağlayan güçlü nükleer kuvvet, radyoaktif bozunmanın bazı türlerini oluşturan zayıf nükleer kuvvet ve kütleçekim kuvveti. Tüm diğer kuvvetler (sürtünme kuvveti gibi), neticede, parçacıkların hareketiyle sağlanan bu temel güçlerden ve momentumdan kaynaklanır.

Elektromanyetik kuvvet, kütleçekim kuvveti dışında, günlük hayatta nükleer ölçekte karşılaşılan tüm diğer olgulardan sorumludur. Kabaca; atomlar arası etkileşimlerden kaynaklanan tüm kuvvetler, elektrik yüklü atom çekirdeklerine ve atomların etrafındaki ve içindeki elektronlara etkiyen elektromanyetik kuvvetle ve bu parçacıkların hareketlerinden nasıl ivme kazandıklarıyla açıklanabilir. Buna, sıradan nesneleri "itme" veya "çekme" sırasında deneyimlediğimiz, vücutlarımızdaki ve bu nesnelerdeki her bir molekülün arasındaki moleküller arası kuvvetten doğan kuvvetler de dahildir. Aynı zamanda kimyasal olayın bütün formlarını içerir.

Elektronların hareketlerinin momentumları tarafından üretilen etkili kuvvet, elektronların birbirleriyle etkileşim içerisinde olan atomlar arasında bir diğer atoma momentum taşıyarak hareket etmesi, atom içi ve moleküller arası kuvvetlerin anlaşılmasında oldukça önemli ve gereklidir. Elektronlar toplamı, daha dar hale geldikçe, Pauli dışlama ilkesi'ne göre; minimum momentumları mutlaka artar. Moleküler düzeydeki maddenin, yoğunluğu da dahil olmak üzere durumu; elektronların taşıdığı momentumdaki değişimin oluşturduğu kuvvet ve elektromanyetik kuvvet arasındaki denge ile belirlenir.
Klasik elektrodinamik

Bilim insanı William Gilbert, De Magnete 'inde (1600), elektrik ve manyetizmanın, her ikisi de maddelerin itilmesi ve çekilmesine sebep olabilirken, farklı etkiler olduklarını ileri sürdü. Denizciler, yıldırımların pusula iğnelerini bozabildiklerini fark etmişlerdi, ama yıldırım ve elektrik arasındaki bağlantı, Benjamin Franklin 'in 1752'de gerçekleştirdiği deneylere kadar doğrulanamamıştı. İnsan yapımı elektrik akımı ve manyetizma arasındaki bağlantıyı ilk keşfedip yayınlayanlardan biri Romagnosi 'dir. Romagnosi, 1802 yılında bir teli bir elektrik pili boyunca bağlamanın yakındaki bir pusula iğnesini saptırdığını fark etti. Ancak bu etki, 1820 yılında Ørsted benzer bir deney gerçekleştirene kadar yaygın olarak bilinmedi. Ørsted'in çalışması, Ampère'i elektromanyetizmaya dair matematiksel bir teori üretmek üzere etkiledi.

Klasik elektromanyetizma olarak bilinen elektromanyetizma teorisi, 19. yüzyıl boyunca çeşitli fizikçiler tarafından geliştirilmiş; önceki gelişmeleri tek bir teoriye toplayan ve ışığın elektromanyetik doğasını keşfeden James Clerk Maxwell 'in çalışmalarıyla sonuç bulmuştur. Klasik elektromanyetizmada, elektromanyetik alan; Maxwell denklemleri olarak bilinen bir dizi denkleme uyar ve elektromanyetik kuvveti Lorentz kuvvet yasası verir.

Klasik elektromanyetizmanın özelliklerinden biri, klasik mekanik ile bağdaştırılmasının zor; ancak, özel görelilik ile bağdaştırılabilir olmasıdır. Maxwell denklemlerine göre, bir vakum içindeki ışık hızı, evrensel bir sabittir. Bu sabit sadece electrical permittivity ve magnetic permeability of free space 'e bağlıdır. Bu, klasik mekaniğin köklü bir temel taşı olan Galilean invariance 'i ihlal eder. İki teoriyi uzlaştırmanın tek yolu, yayılan ışıkta ışık saçan eter 'in olduğunu varsaymaktır. Ancak, daha sonraki deneysel çalışmalar eterin varlığını tespit edemedi. Hendrik Lorentz'in ve Henri Poincaré'in önemli katkılarından sonra, 1905 yılında Albert Einstein, klasik kinematikleri, klasik elektromanyetizmayla uyumlu yeni bir kinematik teorisiyle değiştiren özel görelilik tanımıyla bu problemi çözdü. (Daha fazla bilgi için, bkz: özel görelilik tarihçesi.)

Ek olarak, görelilik teorisi gösterdi ki, hareketli referans sistemlerinde manyetik alan elektrik alan bileşeni sıfırdan farklı olan oluşturmaktadır, tersi elektrik alan için de geçerlidir. Yani manyetik alan ve elektik alan bir paranın iki farklı yüzü gibi düşünülebilir. İşte bu yüzden konunun adı elektromanyetizmadır. (Daha fazla bilgi için, bkz: Klasik elektromanyetizma ve özel görelilik.)
Fotoelektrik etkisi
Aynı yıl yayınlanan başka bir makalede, Albert Einstein, klasik elektromanyetizmanın köklü temellerini zayıflattı. Ona fizik dalında Nobel ödülü kazandıran fotoelektrik etkisi teorisi, sonradan foton olarak adlandırılacak olan parçacık benzeri şeylerde ışığın bulunabileceğini var sayıyordu. Einstein'ın fotoelektrik etki teorisi, Max Planck'ın 1900 yılında sunduğu morötesi katastrofunun çözümündeki kavramaları artırdı. Eserinde, Planck, sıcak nesnelerin farklı paketlerde elektromanyetik radyasyon yaydığını gösterdi. Bu da, siyah cisim ışıması olarak gerçekleşen sonlu, toplam bir enerji kavramıdır. Bu sonuçların her ikisi de, ışığın sürekli bir dalga olarak tanımlandığı klasik görüş ile doğrudan çelişmektedir. Planck'ın ve Einstein'ın teorileri, kuantum mekaniğinin atalarıdır. 1925 yılında formüle edilen bu mekanik, elektromanyetizmada kuantum teorisinin icadını gerektirmiştir. Kuantum elektrodinamiği (veya "QED") olarak bilinen bu teori, 1940'lı yıllarda tamamlanmıştır ve pertürbasyon teorisinin uygulanabilir olduğu durumlarda, fizikte bilinen en kesin teorilerden biridir.
Birimler
Elektromanyetik birimler, temel SI biriminin amper olduğu elektriksel birimler sisteminin bir parçasıdır. Temeli, elektrik akımlarının manyetik özelliklerine dayalıdır. Birimler şunlardır:
Amper (akım)
Coulomb (yük)
Farad (kapasitans)
Henry (indüktans)
Ohm (direnç)
Tesla (manyetik akı yoğunluğu)
Volt (elektrik potansiyeli)
Watt (güç)
Weber (akı)
Elektromanyetik cgs sisteminde, elektrik akımı; elektrik akımı Ampère yasası tarafından tanımlanan temel bir niceliktir ve geçirgenliği birimsiz bir niceliktir (göreli geçirgenlik) ve bunun boş uzaydaki değeri birim değer (bu değer matematiksel işlemlerde 1 olarak kabul edilir) olarak kabul edilir. Sonuç olarak, bu sistemdeki eşitliklerle bağlantısı olan bazı denklemlerde ışık hızının karesi açıkça görünür.