สนามแม่เหล็กไฟฟ้า - ประวัติการค้นพบและคุณสมบัติทางกายภาพ

มนุษย์รู้จักปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็กมาตั้งแต่สมัยโบราณ หลังจากที่พวกเขาเห็นฟ้าแลบ และคนโบราณหลายคนรู้เรื่องแม่เหล็กที่ดึงดูดโลหะบางชนิด แบตเตอรี่แบกแดดที่ประดิษฐ์ขึ้นเมื่อ 4,000 ปีที่แล้ว เป็นหนึ่งในข้อพิสูจน์ว่ามนุษย์ใช้ไฟฟ้ามานานก่อนยุคของเรา และเห็นได้ชัดว่ามันทำงานอย่างไร อย่างไรก็ตาม เป็นที่เชื่อกันว่าจนถึงต้นศตวรรษที่ 19 ไฟฟ้าและแม่เหล็กมักถูกพิจารณาแยกจากกันเสมอ โดยถือเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกันและเป็นของฟิสิกส์สาขาต่างๆ

การศึกษาสนามแม่เหล็กเริ่มขึ้นในปี ค.ศ. 1269 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Peter Peregrin (Knight Pierre of Mericourt) ทำเครื่องหมายสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวของแม่เหล็กทรงกลมโดยใช้เข็มเหล็ก และพิจารณาว่าเส้นสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนั้นตัดกันที่จุดสองจุด ซึ่งเขาเรียกว่า "ขั้ว" โดยเทียบเคียงกับขั้วของโลก

Oerted ในการทดลองของเขาในปี 1819 เท่านั้นพบการโก่งตัวของเข็มเข็มทิศที่วางอยู่ใกล้เส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้า จากนั้นนักวิทยาศาสตร์สรุปว่ามีความเกี่ยวข้องบางอย่างระหว่างปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก

5 ปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2367 แอมแปร์สามารถอธิบายปฏิสัมพันธ์ของเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้ากับแม่เหล็กได้ในทางคณิตศาสตร์ รวมทั้งปฏิสัมพันธ์ของเส้นลวดซึ่งกันและกัน ดังนั้นมันจึงปรากฏว่า กฎของแอมแปร์: "แรงที่กระทำต่อเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอจะแปรผันตามความยาวของเส้นลวด เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก, กระแสและไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กและเส้นลวด «.

เกี่ยวกับผลกระทบของแม่เหล็กที่มีต่อกระแส แอมแปร์เสนอว่าภายในแม่เหล็กถาวรมีกระแสปิดขนาดเล็กมากที่สร้างสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแส

หลังจากนั้นอีก 7 ปี ในปี พ.ศ. 2374 ฟาราเดย์ได้ค้นพบปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นคือเขาสามารถสร้างข้อเท็จจริงของการปรากฏตัวของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในตัวนำในขณะที่สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงทำหน้าที่บนตัวนำนี้ ดู - การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ.

ตัวอย่างเช่น เมื่อเคลื่อนแม่เหล็กถาวรไปใกล้เส้นลวด คุณจะได้รับกระแสที่เต้นเป็นจังหวะในนั้น และโดยการใช้กระแสที่เต้นเป็นจังหวะกับขดลวดตัวใดตัวหนึ่ง บนแกนเหล็กทั่วไปซึ่งมีขดลวดที่สองตั้งอยู่ กระแสที่เต้นเป็นจังหวะจะ ปรากฏในขดที่สองด้วย

33 ปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2407 แม็กซ์เวลล์ประสบความสำเร็จในการสรุปปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ทราบกันอยู่แล้วในทางคณิตศาสตร์ เขาสร้างทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสนามแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เชื่อมต่อถึงกัน ดังนั้น ต้องขอบคุณแมกซ์เวลล์ มันเป็นไปได้ที่จะรวมผลการทดลองก่อนหน้านี้ในด้านอิเล็กโทรไดนามิกส์ทางวิทยาศาสตร์เข้าด้วยกัน

ผลที่ตามมาของข้อสรุปที่สำคัญเหล่านี้ของ Maxwell คือการคาดการณ์ของเขาว่าโดยหลักการแล้ว การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศและในสื่อไดอิเล็กทริกด้วยความเร็วจำกัดที่แน่นอนซึ่งขึ้นอยู่กับการอนุญาตแม่เหล็กและอิเล็กทริกของตัวกลาง เพื่อขยายพันธุ์เป็นลอน

สำหรับสุญญากาศ ความเร็วนี้จะเท่ากับความเร็วแสง ซึ่งแมกซ์เวลล์สันนิษฐานว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย และสมมติฐานนี้ได้รับการยืนยันในภายหลัง (แม้ว่าจุงจะชี้ให้เห็นถึงธรรมชาติของคลื่นของแสงมานานก่อนที่ Oersted's การทดลอง)

ในทางกลับกัน Maxwell ได้สร้างพื้นฐานทางคณิตศาสตร์สำหรับแม่เหล็กไฟฟ้า และในปี 1884 สมการที่มีชื่อเสียงของ Maxwell ก็ปรากฏในรูปแบบสมัยใหม่ ในปี พ.ศ. 2430 เฮิรตซ์ได้ยืนยันทฤษฎีของแม็กซ์เวลล์ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า: เครื่องรับจะรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งมาจากเครื่องส่ง

อิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิกเกี่ยวข้องกับการศึกษาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในกรอบของควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถือเป็นการไหลของโฟตอน ซึ่งอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นดำเนินการโดยอนุภาคพาหะ — โฟตอน — โบซอนเวกเตอร์ที่ไม่มีมวล ซึ่งสามารถแสดงเป็นการกระตุ้นควอนตัมเบื้องต้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้น โฟตอนจึงเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากมุมมองของควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์

อันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าในปัจจุบันถือเป็นหนึ่งในอันตรกิริยาพื้นฐานในฟิสิกส์ และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสนามฟิสิคัลพื้นฐานพร้อมกับสนามโน้มถ่วงและสนามเฟอร์มิโอนิก

คุณสมบัติทางกายภาพของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

การปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กหรือทั้งสองอย่างในอวกาศสามารถตัดสินได้จากการกระทำที่รุนแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าบนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า

สนามไฟฟ้ากระทำกับประจุไฟฟ้า ทั้งแบบเคลื่อนที่และแบบอยู่กับที่ ด้วยแรงจำนวนหนึ่ง ขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้า ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ ณ เวลาที่กำหนด และขนาดของประจุทดสอบ q

เมื่อทราบแรง (ขนาดและทิศทาง) ซึ่งสนามไฟฟ้ากระทำกับประจุทดสอบ และเมื่อทราบขนาดของประจุ จะสามารถหาความแรงของสนามไฟฟ้า E ณ จุดที่กำหนดในอวกาศได้

สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้า เส้นแรงของมันเริ่มต้นที่ประจุบวก (ไหลตามเงื่อนไข) และสิ้นสุดที่ประจุลบ (ไหลเข้าประจุอย่างมีเงื่อนไข) ดังนั้น ประจุไฟฟ้าจึงเป็นที่มาของสนามไฟฟ้า แหล่งที่มาของสนามไฟฟ้าอีกแหล่งหนึ่งคือสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งได้รับการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์โดยสมการของแมกซ์เวลล์

แรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าจากด้านข้างของสนามไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าที่กำหนดจากด้านข้างของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า (กระแส) หรือโดยสนามไฟฟ้าที่แปรตามเวลา (ดังที่เห็นในสมการของ Maxwell) และทำหน้าที่เฉพาะกับประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่เท่านั้น

ความแรงของการกระทำของสนามแม่เหล็กบนประจุที่เคลื่อนที่เป็นสัดส่วนกับการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก ขนาดของประจุที่เคลื่อนที่ ความเร็วในการเคลื่อนที่ และค่าไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก B และทิศทางความเร็วในการเคลื่อนที่ของประจุ แรงนี้มักเรียกว่าแรง Lorenzobache เป็นเพียงส่วน "แม่เหล็ก" ของมันเท่านั้น

ในความเป็นจริง แรง Lorentz รวมถึงส่วนประกอบไฟฟ้าและแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า (กระแส) เส้นแรงของมันจะปิดและครอบคลุมกระแสเสมอ