Электрамагнітнае ўзаемадзеяньне

Электрамагнітнае ўзаемадзеяньне — адно з чатырох фундамэнтальных узаемадзеяньняў. Электрамагнітнае ўзаемадзеяньне існуе паміж часьцінкамі, якія валодаюць электрычным зарадам. З сучаснага пункту гледжаньня электрамагнітнае ўзаемадзеяньне паміж зараджанымі часьцінкамі ажыцьцяўляецца не наўпрост, а толькі з дапамогай электрамагнітнага поля.

З пункту гледжаньня квантавай тэорыі поля электрамагнітнае ўзаемадзеяньне пераносіцца бязважным базонам — фатонам (часьцінкай, якую можна прадставіць як квантавае ўзбуджэньне электрамагнітнага поля). Сам фатон электрычным зарадам не валодае — значыць, ня можа непасрэдна ўзаемадзейнічаць зь іншымі фатонамі. Асноўнымі раўнаньнямі электрамагнетызму зьяўляецца раўнаньні Максўэла. Дзякуючы нулявым паводле масы фатонам узаемадзеяньне можа праходзіць на вялікіх адлегласьцях. Прыкладам таког ўзаемадзеяньня зьяўляецца прыём выпраменьваньня галяктык і квазараў на адлегласьцях у мільярды сьветлавых гадоў. У электрамагнітным узаемадзеяньні ўдзельнічаюць кваркі і лептоны, якія маюць электрычны зарад, аднак, яно аніяк не ўплывае на нэўтральную часьцінку нэўтрына^[1].

У клясычных (не квантавых) межах электрамагнітнае ўзаемадзеяньне апісваецца клясычнай электрадынамікай.

Электрычны зарад

Асноўнай характарыстыкай часьцінак, што вызначае інхную здольнасьць узаемадзейнічаць паміж сабой праз электрамагнітнае ўзаемадзеяньне, зьяўляецца электрычны зарад. Зараджаныя часьцінкі і целы, якія складаюцца зь іх, могуць як прыцягвацца, гэтак і адштурхвацца, і для апісаньня такога адрозьненьня, часьцінкі падзяляюцца на адмоўна зараджаныя і дадатна зараджаныя. Часьцінкі з рознаіменнымі зарадамі прыцягваюцца, а часьцінкі з аднайменнымі зарадамі — адштурхваюцца. Адпаведна, у атамнай сыстэме адзінак часьцінкі могуць мець зарад $-1$ або $1$ . У папулярных сыстэмах адзінак, як то СІ, зарад часьцінак паводле абсалютнай велічыні роўны элемэнтарнаму электрычнаму зараду е.

Інтэнсіўнасьць узаемадзеяньня паміж зараджанымі часьцінкамі прызнаецца сталай тонкай структуры $\alpha$ . Яна на два парадка меншая за велічыню інтэнсіўнасьці моцнага ўзаемадзеяньня і нашмат больш за інтэнсіўнасьць як слабога, гэтак і гравітацыйнага ўзаемадзеяньня. Не зважаючы на тое, што моцнае ўзаемадзеяньне праяўляецца толькі на адлегласьцях парадку памераў атамнага ядра, большасьць сілаў у макраскапічным сьвеце носіць электрамагнітны характар. Выключэньнем зьяўляецца толькі сілы прыцягненьня, якія, хоць і вельмі слабыя, але заўсёды маюць характар прыцягненьня, і, дзякуючы суме вялікай колькасьці часьцінак, даюць у выніку значны эфэкт.

Электрамагнітнае ўзаемадзеяньне ажыцьцяўляецца праз электрамагнітнае поле, што мае два складнікі: электрычны і магнітны. Зараджаныя часьцінкі ствараюць вакол сябе электрычнае поле, а часьцінкі, якія маюць магнітны момант, ствараюць магнітнае поле. Умовай існаваньня магнітнага моманту зьяўляецца або ненулявы момант колькасьці руху або сьпін. Магнітны момант могуць мець таксама незараджаныя, нэўтральныя часьцінкі, як то нэўтрон, што сьведчыць пра пэўнае неаднароднае ўнутранае разьмеркаваньне зараду. Лікавая сувязь паміж момантам колькасьці руху часьцінкі і ягоным магнітным момантам задаецца гірамагнітнымі адносінамі. Гіпатэтычна, магчыма існаваньне магнітнага зараду, гэтак званага магнітнага манаполю, але экспэрымэнтальна часьцінак з такім зарадам яшчэ не было выяўлена.

Электрычная і магнітная складнікі электрамагнітнага поля, створаныя адной часьцінкай, узьдзейнічаюць на электрычны зарад або магнітны момант па іншаму, то бок наадварот.

Гісторыя тэорыі

Першапачаткова электрычнасьць і магнэтызм лічыліся дзьвюма асобнымі сіламі. Гэты пункт гледжаньня зьмяніўся пасьля публікацыі ў 1873 годзе працы Джэймза Максўэла «Трактат аб электрычнасьці і магнэтызьме» (анг. A Treatise on Electricity and Magnetism), у якой было паказана, што ўзаемадзеяньне дадатных і адмоўных зарадаў рэгулюецца адной сілай.

Аднак яшчэ раней, у 1802 гозе, Джаваньні Дамэніка Раманьёзі, італьянскі навуковец-прававед, адхіляў магнітную стрэлку электрастатычнымі разрадамі. Але фактычна ў дасьледаваньнях італьянца не прымяняўся гальванічны элемэнт і сталы ток адсутнічаў. Справаздача аб адкрыцьці была апублікавана ў 1802 годзе ў італьянскай газэце, але яна была амаль не заўважана навуковай супольнасьцю таго часу^[2].

21 красавіка 1820 году Ганс Крыстыян Эрстэд зрабіў назіраньне. Калі ён займаўся падборкай матэрыялу да лекцыі, то заўважыў, што стрэлка компасу адхіляецца ад паўночнага магнітнага полюсу, калі электрычны ток ад батарэі, якую ён выкарыстоўваў, уключаўся і выключаўся. Гэтае адхіленьне натхніла яго на думку, што магнітныя палі зыходзяць з усіх бакоў дроту, па якім праходзіць электрычны ток, падобна таму як распаўсюджваюцца ў прасторы сьвятло і цяпло, і што гэты досьлед паказвае на прамую сувязь паміж электрычнасьцю і магнетызмам.

На момант адкрыцьця Эрстэд не прапанаваў здавальняючага тлумачэньня гэтай зьяве, і не спрабаваў прадставіць зьява ў матэматычных выкладках. Аднак, прыз тры месяцы, ён стаў праводзіць больш інтэнсіўныя дасьледаваньні. Неўзабаве пасьля гэтага ён апублікаваў свае вынікі, давёўшы, што электрычны ток стварае магнітнае поле, калі праходзіць па правадох. У сыстэме СГС адзінку электрамагнітнай індукцыі (Э) назвалі ў гонар ягонага ўнёску ў вобласьць электрамагнетызму.

Высновы, зробленыя Эрстэдам, прывялі да інтэнсіўнага дасьледаваньня электрадынамікі сусьветнай навуковай супольнасьцю. Да 1820 году адносяцца таксама працы Дамініка Франсуа Араго, які заўважыў, што дрот, па якім працякае электрычны ток, прыцягвае да сябе жалезнае пілавіньне. Араго таксама ўпершыню намагніціў жалезныя і сталёвыя драты, зьмясьціўшы іх унутр шпулькі зь медных дратоў, па якіх праходзіў ток. Ён жа здолеў намагніціць іголку, зьмясьціўшы яе ў шпульку і разрадзіўшы лейдэнскі слоік праз шпульку. Незалежна ад Араго намагнічваемасьць сталі і жалеза токам было адкрыта Гамфры Дэйві. Першыя колькасныя вызначэньні узьдзеяньня току на магніт сапраўды гэтак жа ставяцца да 1820 году і належаць францускім навукоўцам Жан-Батысту Біё і Фэліксу Савару. Досьледы Эрстэда таксама паўплывалі на францускага фізыка Андрэ-Мары Ампэра, які прадставіў электрамагнітную заканамернасьць паміж правадніком і токам у матэматычнай форме. Адкрыцьцё Эрстэда таксама ўяўляе сабой важны крок на шляху да адзінай канцэпцыі поля.

Крыніцы

^ Стівен Гокінґ, Леонард Млодінов. «Найкоротша історія часу». Клуб Сімейного Дозвілля. ISBN 978-617-12-1054-7
^ Martins, Roberto de Andrade. «Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity». Università degli Studi di Pavia. — С. 81–102.

Вонкавыя спасылкі

Электромагнетизм. Энцыкляпэдычны слоўнік Брокгаўза і Яфрона (рас.).

[1] Стівен Гокінґ, Леонард Млодінов. «Найкоротша історія часу». Клуб Сімейного Дозвілля. ISBN 978-617-12-1054-7

[2] Martins, Roberto de Andrade. «Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity». Università degli Studi di Pavia. — С. 81–102.

[1]

[2]