Elektromagnetické pole

Elektromagnetické pole  je základní fyzikální pole , které interaguje s elektricky nabitými tělesy , stejně jako s tělesy, která mají své vlastní dipólové a vícepólové elektrické a magnetické momenty. Je to kombinace elektrických a magnetických polí, která se mohou za určitých podmínek navzájem generovat, ale ve skutečnosti jsou jednou entitou, formalizovanou pomocí tenzoru elektromagnetického pole .

Elektromagnetické pole (a jeho změna v čase) je v elektrodynamice popsáno v klasické aproximaci pomocí soustavy Maxwellových rovnic . Při přechodu z jedné inerciální vztažné soustavy do druhé závisí elektrická a magnetická pole v nové vztažné soustavě – každé na obou – elektrickém i magnetickém – ve staré soustavě, a to je další důvod pro zvažování elektrických a magnetických polí. pole jako projevy jediného elektromagnetického pole.

V moderní formulaci je elektromagnetické pole reprezentováno tenzorem elektromagnetického pole , jehož složkami jsou tři složky intenzity elektrického pole a tři složky intenzity magnetického pole (neboli - magnetická indukce ) [~ 1] , jakož i čtyři složky. -rozměrný elektromagnetický potenciál  - v určitém ohledu ještě důležitější.

Působení elektromagnetického pole na nabitá tělesa je popsáno v klasické aproximaci pomocí Lorentzovy síly .

Kvantové vlastnosti elektromagnetického pole a jeho interakce s nabitými částicemi (stejně jako kvantové korekce na klasickou aproximaci) jsou předmětem kvantové elektrodynamiky , i když některé kvantové vlastnosti elektromagnetického pole jsou víceméně uspokojivě popsány zjednodušeným kvantová teorie, která historicky vznikla mnohem dříve.

Porucha elektromagnetického pole šířícího se prostorem se nazývá elektromagnetická vlna (elektromagnetické vlny) [~ 2] . Jakékoliv elektromagnetické vlnění se šíří prázdným prostorem (vakuem) stejnou rychlostí – rychlostí světla (světlo je také elektromagnetické vlnění). V závislosti na vlnové délce se elektromagnetické záření dělí na rádiové záření , světlo (včetně infračerveného a ultrafialového), rentgenové záření a gama záření .

Historie objevů

Známý od starověku , elektřina a magnetismus až do počátku 19. století byly považovány za jevy, které spolu nesouvisely, a byly zvažovány v různých částech fyziky.

V roce 1819 dánský fyzik H.K.Oersted zjistil, že vodič, kterým protéká elektrický proud , způsobuje výchylku střelky magnetického kompasu umístěnou v blízkosti tohoto vodiče, z čehož vyplývá, že elektrické a magnetické jevy jsou vzájemně propojeny.

Francouzský fyzik a matematik A. Ampere v roce 1824 podal matematický popis interakce proudového vodiče s magnetickým polem (viz Ampérův zákon ).

V roce 1831 anglický fyzik M. Faraday experimentálně objevil a matematicky popsal jev elektromagnetické indukce  - vznik elektromotorické síly ve vodiči pod vlivem měnícího se magnetického pole.

V roce 1864 vytvořil J. Maxwell teorii elektromagnetického pole , podle níž existují elektrická a magnetická pole jako vzájemně související složky jediného celku – elektromagnetického pole. Tato teorie z jednotného hlediska vysvětlila výsledky všech dosavadních výzkumů v oblasti elektrodynamiky a navíc z ní vyplynulo, že jakékoli změny v elektromagnetickém poli by měly generovat elektromagnetické vlny šířící se v dielektrickém prostředí (včetně vakuum) s konečnou rychlostí v závislosti na dielektrické a magnetické permeabilitě tohoto prostředí. Pro vakuum byla teoretická hodnota této rychlosti blízká tehdy získaným experimentálním měřením rychlosti světla, což Maxwellovi umožnilo naznačit (později potvrzeno), že světlo je jedním z projevů elektromagnetického vlnění.

Maxwellova teorie již při svém vzniku řešila řadu zásadních problémů elektromagnetické teorie, předpovídala nové efekty a poskytovala spolehlivý a efektivní matematický základ pro popis elektromagnetických jevů. Během Maxwellova života však nejvýraznější předpověď jeho teorie – předpověď existence elektromagnetických vln – nezískala přímé experimentální potvrzení.

V roce 1887 uspořádal německý fyzik G. Hertz experiment, který plně potvrdil Maxwellovy teoretické závěry. Jeho experimentální sestava sestávala z vysílače a přijímače elektromagnetických vln umístěných v určité vzdálenosti od sebe a ve skutečnosti představovala historicky první radiokomunikační systém , ačkoli Hertz sám neviděl žádné praktické využití svého objevu a považoval jej pouze za experimentální potvrzení Maxwellovy teorie.

Ve XX století. vývoj představ o elektromagnetickém poli a elektromagnetickém záření pokračoval v rámci kvantové teorie pole , jejíž základy položil velký německý fyzik Max Planck . Tato teorie, kterou obecně dokončila řada fyziků kolem poloviny 20. století, se ukázala jako jedna z nejpřesnějších fyzikálních teorií, které dnes existují.

Ve druhé polovině 20. století byla (kvantová) teorie elektromagnetického pole a jeho interakce zahrnuta do jednotné teorie elektroslabé interakce a nyní je zařazena do tzv. standardního modelu v rámci konceptu měřidla . pole (elektromagnetické pole je z tohoto pohledu nejjednodušší z kalibračních polí - Abelovské kalibrační pole ).

Klasifikace

Elektromagnetické pole z moderního pohledu je nehmotné [~ 3] Abelovské [~ 4] vektorové [~ 5] měřidlo [~ 6] pole. Jeho kalibrační skupina  je U(1) .

Mezi známými (nikoli hypotetickými) základními poli je elektromagnetické pole jediné tohoto typu. Všechna ostatní pole stejného typu (o kterých lze uvažovat, alespoň čistě teoreticky) - (byla by) zcela ekvivalentní elektromagnetickému poli, snad kromě konstant.

Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti elektromagnetického pole a elektromagnetické interakce jsou předmětem studia elektrodynamiky , z klasického hlediska je popisuje klasická elektrodynamika az kvantové jednokvantové elektrodynamiky . V zásadě je první aproximací druhého, mnohem jednoduššího, ale pro mnoho problémů je velmi, velmi dobré.

V rámci kvantové elektrodynamiky lze na elektromagnetické záření pohlížet jako na proud fotonů . Částice-nosič elektromagnetické interakce je foton (částice, která může být reprezentována jako elementární kvantová excitace elektromagnetického pole) - bezhmotný vektorový boson. Foton se také nazývá kvantem elektromagnetického pole (to znamená, že stacionární stavy volného elektromagnetického pole sousedícího energií s určitou frekvencí a vlnovým vektorem se liší o jeden foton).

Elektromagnetická interakce  je jedním z hlavních typů základních interakcí na dlouhé vzdálenosti a elektromagnetické pole je jedním ze základních polí.

Existuje teorie (zahrnutá ve standardním modelu ), která kombinuje elektromagnetické a slabé interakce do jedné - elektroslabé . Existují také teorie, které kombinují elektromagnetické a gravitační interakce (jako je Kaluza-Kleinova teorie ). Ta však se svými teoretickými přednostmi a krásou není obecně přijímána (ve smyslu její preference), protože experimentálně nebylo zjištěno, že by se lišila od jednoduché kombinace obvyklých teorií elektromagnetismu a gravitace, stejně jako teoretické výhody v míře, která by si vynutila uznání jeho zvláštní hodnoty. Totéž (přinejlepším) lze zatím říci o jiných podobných teoriích: alespoň ty nejlepší z nich nejsou dostatečně rozvinuté, aby mohly být považovány za zcela úspěšné.

Bezpečnost elektromagnetických polí

V souvislosti s rostoucím rozšířením zdrojů EMP v každodenním životě ( mikrovlnné trouby , mobilní telefony, televizní a rozhlasové vysílání) a ve výrobě ( zařízení HDTV , radiokomunikace), regulace úrovní EMP a studium možného vlivu EMP na osoba mají velký význam [1] . Přidělování úrovní EMP se provádí samostatně pro pracoviště a sanitární a obytné prostory.

Kontrolou nad úrovněmi EMP jsou pověřeny orgány hygienického dozoru a telekomunikační inspektorát a v podnicích - služba ochrany práce .

Maximální přípustné úrovně EMF v různých vysokofrekvenčních pásmech jsou různé.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Pro vakuum, pro které jsou formulovány základní rovnice, jsou síla magnetického pole a magnetická indukce v podstatě stejné, i když v některých systémech jednotek (včetně SI ) se mohou lišit konstantním faktorem a dokonce i jednotkami měření.
  2. ↑ Předpokládá se množení s mírným poklesem intenzity; ve vakuu to znamená, že pokles se vzdáleností od zdroje je pomalejší než pokles statického (Coulombova) pole; rovinná elektromagnetická vlna - pokud je aproximace rovinné vlny správná a zanedbává absorpci (nebo v ideálním vakuu) - neklesá amplituda vůbec, kulová klesá pomaleji než intenzita nebo potenciál v Coulombově zákoně.
  3. ↑ Parametr m (hmotnost) v Klein-Gordonově rovnici pro elektromagnetické pole je nula (jinými slovy to znamená, že elektromagnetický potenciál se řídí - v určitém měřítku - pouze vlnovou rovnicí . S tím souvisí i skutečnost, že foton (ve vakuu) se nemůže - stejně jako jakákoli bezhmotná částice - zastavit, pohybuje se vždy stejnou rychlostí - rychlostí světla .
  4. ↑ V nejjednodušším výkladu to znamená, že elektromagnetické pole se sebou přímo neinteraguje, tedy že elektromagnetické pole nemá elektrický náboj. Foton nemůže sám přímo emitovat nebo absorbovat jiný foton.
  5. ↑ Při použití termínů v užším slova smyslu jsou za měřidla považována pouze vektorová pole; ale v každém případě zde explicitně označujeme vektorový charakter elektromagnetického pole.
  6. ↑ Měrné elektromagnetické pole je, když je uvažujeme v interakci s elektricky nabitými částicemi; pojem kalibračního pole vždy implikuje podobnou interakci (v určitém smyslu podobnou; konkrétní způsob interakce se může výrazně lišit).

poznámky pod čarou:

  1. ↑ Yu. A. Cholodov. Mozek v elektromagnetických polích. - M . : Nauka , 1982. - S. 123. - (Člověk a životní prostředí).

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie