Trường điện từ - lịch sử khám phá và tính chất vật lý

Các hiện tượng điện và từ đã được loài người biết đến từ thời cổ đại, sau tất cả, họ đã nhìn thấy sét và nhiều người cổ đại đã biết về nam châm hút một số kim loại. Pin Baghdad, được phát minh cách đây 4000 năm, là một trong những bằng chứng cho thấy loài người đã sử dụng điện từ rất lâu trước thời đại của chúng ta và rõ ràng là biết cách thức hoạt động của nó. Tuy nhiên, người ta tin rằng cho đến đầu thế kỷ 19, điện và từ luôn được coi là tách biệt với nhau, được coi là những hiện tượng không liên quan và thuộc các ngành vật lý khác nhau.

Nghiên cứu về từ trường bắt đầu vào năm 1269 khi nhà khoa học người Pháp Peter Peregrin (Hiệp sĩ Pierre xứ Mericourt) đánh dấu từ trường trên bề mặt của một nam châm hình cầu bằng kim thép và xác định rằng các đường sức từ thu được cắt nhau tại hai điểm mà ông gọi là "cực" bằng cách tương tự với các cực của Trái đất.

Oersted trong các thí nghiệm của mình chỉ vào năm 1819.tìm thấy sự lệch của kim la bàn đặt gần dây dẫn có dòng điện, và sau đó nhà khoa học kết luận rằng có một mối liên hệ nào đó giữa các hiện tượng điện và từ.

5 năm sau, vào năm 1824, Ampere đã có thể mô tả bằng toán học sự tương tác của một dây dẫn mang dòng điện với một nam châm, cũng như sự tương tác của các dây dẫn với nhau, vì vậy nó xuất hiện Định luật Ampe: “Lực tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường đều tỉ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn, véc tơ cảm ứng từ, cường độ dòng điện và sin của góc giữa vectơ cảm ứng từ và dây dẫn «.

Về tác dụng của nam châm đối với dòng điện, Ampere cho rằng bên trong nam châm vĩnh cửu có các dòng điện khép kín cực nhỏ tạo ra từ trường của nam châm tương tác với từ trường của dây dẫn mang dòng điện.

Sau 7 năm nữa, vào năm 1831, Faraday đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ bằng thực nghiệm, nghĩa là ông đã xác định được sự thật về sự xuất hiện của một suất điện động trong một dây dẫn tại thời điểm khi từ trường thay đổi tác dụng lên dây dẫn này. Nhìn - ứng dụng thực tế của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Ví dụ, bằng cách di chuyển một nam châm vĩnh cửu gần một sợi dây, bạn có thể tạo ra một dòng điện dao động trong đó và bằng cách đặt một dòng điện dao động lên một trong các cuộn dây, trên lõi sắt chung có đặt cuộn dây thứ hai, một dòng điện dao động sẽ cũng xuất hiện trong cuộn dây thứ hai.

33 năm sau, vào năm 1864, Maxwell đã thành công trong việc tóm tắt các hiện tượng điện và từ đã biết bằng toán học - ông đã tạo ra một lý thuyết về trường điện từ, theo đó trường điện từ bao gồm các trường điện và từ liên kết với nhau. Vì vậy, nhờ Maxwell, người ta có thể kết hợp một cách khoa học các kết quả của các thí nghiệm trước đây về điện động lực học.

Hệ quả của những kết luận quan trọng này của Maxwell là dự đoán của ông rằng, về nguyên tắc, bất kỳ sự thay đổi nào trong trường điện từ đều phải tạo ra sóng điện từ lan truyền trong không gian và trong môi trường điện môi với tốc độ hữu hạn nhất định phụ thuộc vào hằng số điện từ và điện môi của môi trường. để lan truyền lượn sóng.

Đối với chân không, tốc độ này hóa ra bằng với tốc độ ánh sáng, liên quan đến việc Maxwell cho rằng ánh sáng cũng là sóng điện từ, và giả thiết này sau đó đã được xác nhận (mặc dù Jung đã chỉ ra bản chất sóng của ánh sáng từ rất lâu trước khi Oersted thí nghiệm).

Mặt khác, Maxwell đã tạo ra cơ sở toán học cho điện từ học, và vào năm 1884, các phương trình nổi tiếng của Maxwell xuất hiện ở dạng hiện đại. Năm 1887, Hertz khẳng định lý thuyết của Maxwell về sóng điện từ: Máy thu sẽ thu sóng điện từ do máy phát gửi đến.

Điện động lực học cổ điển liên quan đến việc nghiên cứu các trường điện từ.Trong khuôn khổ của điện động lực học lượng tử, bức xạ điện từ được coi là một dòng photon, trong đó tương tác điện từ được thực hiện bởi các hạt mang - photon - boson vectơ không khối lượng, có thể được biểu diễn dưới dạng kích thích lượng tử cơ bản của trường điện từ. Do đó, một photon LÀ một lượng tử của trường điện từ theo quan điểm của điện động lực học lượng tử.

Tương tác điện từ ngày nay được coi là một trong những tương tác cơ bản trong vật lý, và trường điện từ là một trong những trường vật lý cơ bản cùng với trường hấp dẫn và trường fermionic.

Tính chất vật lý của trường điện từ

Sự hiện diện của điện trường hoặc từ trường hoặc cả hai trong không gian có thể được đánh giá bằng tác động mạnh của trường điện từ lên hạt tích điện hoặc lên dòng điện.

Điện trường tác dụng lên các điện tích chuyển động và đứng yên một lực nhất định phụ thuộc vào cường độ điện trường tại một điểm nhất định trong không gian vào một thời điểm nhất định và vào độ lớn của điện tích thử q.

Biết lực (độ lớn và hướng) mà điện trường tác dụng lên điện tích thử và biết độ lớn của điện tích, có thể tìm được cường độ điện trường E tại một điểm cho trước trong không gian.

Một điện trường được tạo ra bởi các điện tích, các đường sức của nó bắt đầu từ các điện tích dương (dòng chảy có điều kiện từ chúng) và kết thúc tại các điện tích âm (dòng chảy có điều kiện vào chúng). Như vậy, điện tích là nguồn điện trường. Một nguồn khác của điện trường là từ trường thay đổi, được chứng minh bằng toán học bởi Phương trình Maxwell.

Lực tác dụng lên một điện tích từ phía điện trường là một phần của lực tác dụng lên một điện tích nhất định từ phía điện từ trường.

Từ trường được tạo ra bằng cách chuyển động các điện tích (dòng điện) hoặc bằng các điện trường biến đổi theo thời gian (như đã thấy trong phương trình Maxwell) và chỉ tác dụng lên các điện tích chuyển động.

Cường độ tác dụng của từ trường lên một điện tích đang chuyển động tỉ lệ thuận với cảm ứng từ của từ trường, độ lớn của điện tích chuyển động, tốc độ chuyển động của nó và sin của góc giữa vectơ cảm ứng từ B và hướng của tốc độ chuyển động của điện tích. Lực này thường được gọi là lực Lorenzobache chỉ là phần "từ tính" của nó.

Trên thực tế, lực Lorentz bao gồm các thành phần điện và từ. Từ trường được tạo ra do các điện tích (dòng điện) chuyển động, các đường sức của nó luôn khép kín và bao bọc dòng điện.