Лекция
Электромагни́тное взаимоде́йствие или электромагнетизм — одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, но может взаимодействовать с другими фотонами путем обмена виртуальными электрон-позитронными парами.
Теория электромагнитного поля или электродинамика – это теория электромагнитных процессов в различных средах, охватывающая большую совокупность физических явлений, в которых основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами посредством электромагнитного поля
(ЭМП).
Электромагнитное поле – это особый вид материи, качественно отличный от вещества. Оно характеризуется своей способностью распространяться
в пространстве и переносить электромагнитную энергию. Проявляется ЭМП своим воздействием на заряженные частицы.
Теории электромагнитного поля отведена важная роль в современных воззрениях на строение материи. Согласно современным представлениям материя построена из элементарных частиц, атомов и молекул. Теория строения материи на микро уровне относится к компетенции квантовой физики, одним из разделов которой является квантовая или микроскопическая электродинамика. Вместе с тем во многих практических случаях, особенно в технике при создании машин и приборов, вещества удобно считать сплошными, а не разделенными на атомы. Параметры вещества в этом случае характеризуют
некими усредненными величинами, как, например, удельная плотность, диэлектрическая и магнитная проницаемости. Электромагнитное поле при этом также считается непрерывно распределенным в пространстве. Такой подход называется макроскопическим, а теория электромагнитного поля, построенная в его рамках, называется макроскопической электродинамикой. Принятые предположения имеют основания в том случае, когда все расстояния от источников поля до рассматриваемой точки значительно больше размеров молекул, а характерное для изменения ЭМП время (например, период колебаний) велико по сравнению с периодом внутримолекулярных процессов.
Мы будем изучать макроскопическую электродинамику, поскольку именно ее удобно применять при рассмотрении физических явлений, происходящих в радиотехнических приборах и устройствах. Макроскопическую электродинамику часто называют еще и классической электродинамикой, поскольку именно с построения ее началось познание природы электромагнитных явлений.
Первые упоминания об электрических и магнитных явлениях встречаются еще в трудах древнегреческих ученых VI-III веков до нашей эры. Так, Фалес Милетский в VI веке до н.э. обратил внимание на способность натертого янтаря притягивать легкие предметы. Он связывал это явление с особым "электрическим духом", заключенным в янтаре. В V веке до н.э. Демокрит выдвинул предположение, что частицы, составляющие магнит, имеют определенную ориентацию, позволяющую им притягиваться друг к другу. Аристотель в IV веке до н.э. описал способность магнита притягивать железные предметы и предложил считать магнетизм особым "качеством" материи.
Несмотря на первоначальные наблюдения, в античный период электрические и магнитные явления рассматривались лишь как курьезные свойства некоторых природных материалов. Систематическое изучение электричества и магнетизма началось значительно позже.
Атмосферное электричество. Электрические и магнитные явления сопровождают человека на протяжении всего его существования. Наверняка первым наблюдаемым из них явились проявления атмосферного электричества, молнии и громы, различные разряды не могли не обратить на себя внимания людей. Разрушения и пожары, которые возникали при этом, приносили большой ущерб и древние люди приписывали их к гневу богов. Как правило, самый главный бог у язычников был громовержцем – Зевс, Юпитер, Перун и т. д. Однако даже в те времена люди отмечали особые свойства молнии. Так еще Аристотель в своей “Метрологии” отмечал особую "любовь" молнии к металлам: “Случалось, что медь щита расплавлялась, а дерево, его покрывающее, осталось невредимым”. Сенека, наставник императора Нерона писал: “Серебро расплавится, а кошелек, в котором оно находилось, останется невредимым”. Янтарь и магнит. Кроме проявлений атмосферного электричества еще несколько тысячелетий назад люди заметили особые свойства янтаря и магнита. Первый из них, если его потереть, обладал способностью притягивать пылинки, нити. Греческое название янтаря – электрон. Магнит обладал способностью притягивать железные предметы. Оба эти вещества неоднократно описаны в легендах и мифах древней Греции и Рима, они часто встречаются в произведениях писателей того времени – Платона, Плиния и др. Обоим веществам приписывали чудодейственные и лечебные свойства. Первым и важным практическим использованием магнита стал компас. Философы того времени пытались объяснить суть природы наблюдаемых явлений, однако попытки их были наивны. Первое дошедшее до нас исследование о магните было написано французом Пьером Перегрином из Марикурта, который во время вынужденного безделья при осаде небольшого итальянского городка Люцерна в 1269 написал книжку "Письма о магните", в котором собрана масса наблюдений о свойствах магнита. Здесь он впервые говорит о полюсах магнитов, о притяжении разноименных полюсов и отталкивании одноименных, о проникновении магнитных сил через стекло и воду, о компасе.
Существенный прогресс в изучении электрических явлений был достигнут в XVII-XVIII веках. В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт опубликовал трактат "О магните", в котором впервые ввел термин "электрический" для обозначения притягательных свойств натертого янтаря. Он также установил, что Земля сама является огромным магнитом.
В 1729 году английский физик Стивен Грей провел серию экспериментов, показавших, что электрический заряд может передаваться по проводникам на значительные расстояния. Его опыты положили начало развитию науки об электростатике. В 1733 году немецкий ученый Георг Вильгельм Рихман предложил шкалу для измерения величины электрического заряда.
В 1745 году немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский ученый Питер Ван Мушенбрук независимо друг от друга изобрели "лейденскую банку" - первый конденсатор, способный накапливать и хранить электрические заряды. Это устройство позволило проводить более точные исследования электрических явлений.
Параллельно с развитием электростатики в XVIII веке происходило становление гальванизма - учения об электрохимических процессах. В 1786 году итальянский врач Луиджи Гальвани обнаружил, что сокращение мышц лягушки можно вызвать при соприкосновении с различными металлами. Эти эксперименты легли в основу представлений об "животном электричестве". Вольта в 1800 году построил первый в мире гальванический элемент - прообраз современной электрической батареи.
Существенный прорыв в понимании взаимосвязи электрических и магнитных явлений произошел в 1820-х годах. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение магнитной стрелки. Это было первое экспериментальное доказательство связи между электричеством и магнетизмом.
Открытие Эрстеда вдохновило других ученых на дальнейшие исследования. В 1825 году французский физик Андре-Мари Ампер сформулировал законы взаимодействия проводников с электрическим током, доказав, что электрические токи создают вокруг себя магнитные поля. Ампер также выдвинул гипотезу о том, что магнетизм обусловлен движением электрических зарядов внутри вещества.
Андре-Мари Ампер
Ключевым событием стало открытие электромагнитной индукции английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей установил, что изменение магнитного поля вызывает возникновение электрического тока в проводнике, помещенном в это поле. Это явление легло в основу принципа работы генераторов, трансформаторов и многих других электрических устройств.
Майкл Фарадей
И все же первым исследователем, кто подошел к изучению электрических и магнитных явлений с научной точки зрения, следует считать Вильяма Гильберта. Современник Шекспира, придворный врач королевы Елизаветы, в течении 18 лет на собственные деньги ставил бесчисленное количество опытов, которые описал затем в книге “О магните, магнитных телах и о большом магните – Земля…”, вышедшей в 1600 году. Это первый, по настоящему научный труд, посвященный электричеству и магнетизму. Научный – потому что он первый из исследователей провозгласил опыт – критерием истины. Он изготовил из магнитного железняка шар – “тереллу” – и заметил, что шар по магнитным свойствам сильно напоминает Землю и у него также имеются северный и южный полюсы. Он открыл многие свойства магнитных материалов (точку Кюри, экранирующие свойства железа и т.д.). В его работе впервые появилось слово “электричество”. Он понял, что силы притяжения магнита и янтаря имеют разную природу, таким образом, он разделил электрические и магнитные явления на 2 класса, которые с тех пор стали исследоваться отдельно. Вильям Гильберт сделал гениальное предположение, что действие магнита распространяется подобно свету. Он много сделал и открыл, но ничего не смог объяснить и умер от чумы через три года после выхода в свет своего труда. Отто фон Гереке (1602-1681) – любознательный десятипудовый бургомистр немецкого города Магдебурга изготовил странную машину – шар из серы, приводимый во вращение.
Если шар придерживать ладонями, то на нем скапливались электрические заряды. С его помощью можно было делать много занятных экспериментов с наэлектризованными предметами. В своих опытах Гереке наблюдал при электрических разрядах слабые свечения и слышал треск. О своих опытах написал книгу (1672). Книга и шары Гереке разошлись по всей Европе, и другие исследователи могли наблюдать явления электричества. Один из ярких опытов произошел в 1745 году в г. Лейдене (Голландия). Лейденский профессор Мушенбрек со своим учеником пытались зарядить электричеством воду в банке. Зарядка осуществлялась с помощью цепочки, подсоединенной к машине. При попытке вынуть цепочку из банки после зарядки, ученик получил страшный удар электричеством, от которого чуть не скончался. Выяснилось, что в сосудах такого типа может накапливаться электричество. Так была открыто прославленная в последствии “лейденская банка” - простейший конденсатор. Мушенбрек после этих опытов стал очень известной личностью. С ним, в частности, познакомился русский царь Петр I, когда работал на верфях в Голландии. Новость о лейденской банке быстро распространилась по всей Европе. Везде стали ставить опыты. Вот некоторые из них. В Париже 700 монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый из них взялся за головку банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули от ужаса. В Версале подобный опыт перед королем провел придворный “электрик” аббат Нолле, специально ведавший различными электрическими увеселениями. Подопытными на этот раз были 180 королевских мушкетеров. Электрические опыты приобрели популярность и стали одним из развлечений. Несмотря на неприятные ощущения тысячи людей хотели подвергнуться эксперименту. Однако должен был появиться человек, который увидел бы в лейденской банке больше, чем развлечение. Этим человеком стал Бенджамен Франклин (1706-1790). Трудно было бы себе представить более выдающуюся и популярную личность того времени. 91
Он родился в 1706 г. в Бостоне, был 15-м ребенком в семье мелкого ремесленника, прожил 84 года, а физикой занимался всего 7 лет с 1747 по 1753. После случайной прослушанной лекции он решил систематизировать все, что узнал от других и понял сам. Он доказал электрическую природу молнии, изобрел громоотвод и разработал довольно простую, но стройную и, как впоследствии оказалось, правильную теорию статического электричества и его передачи от одного тела к другому – ту самую теорию, которую сейчас проходят в школе. Он ввел такие привычные нам понятия, как заряд, проводник, конденсатор, батарея, обмотка, разряд; разделил заряды на положительные и отрицательные (1749 г.) Бенджамен Франклин был образованным и разносторонне развитым человеком. Он был писателем, издавал литературный журнал, был общественным и государственным деятелем, стоял у истоков образования США (1776). Основал первую в североамериканских колониях публичную библиотеку в Филадельфии, Пенсильванский университет, Американское философское общество. На съезде представителей североамериканских колоний он предложил план их объединения, который в последствии лег в основу создания государства Соединенных штатов. Б.Франклин является одним из авторов Декларации независимости и конституции США. Следующим шагом в познании электричества было открытие Луиджи Гальвани (1737-98), сделанное им в 1780 году. Итальянский анатом и физиолог, изучая нервную систему лягушек, он обнаружил контактную разность потенциалов при касании электролита двумя различными металлами. В качестве электролита у Гальвани служила лапка лягушки, она же и была индикатором, поскольку при касании к ней двумя различными металлами она содрогалась. В 1800 г. Александра Вольта (1745-1827) решил повторить опыт Гальвани. Только вместо лапки лягушки он использовал собственный язык. Он брал 2 монеты из разных металлов, клал их себе в рот – одну на язык, а другую – под язык. После этого он соединил монеты проволочкой и почувствовал вкус, который знаком каждому, кто хоть раз дотрагивался языком до контактов электрической батарейки. Из более ранних опытов, проводимых с машиной Гереке, Вольта знал, что это вкус электричества. Тогда он поставил друг на друга свыше 100 металлических кружков (цинк и серебро), разделил их бумагой, смоченной соленой водой, и получил довольно мощный источник электричества - вольтов столб. Следующую батарею он собрал из последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной серной кислотой. По тем временам это был мощный источник электрической энергии, который позволил его последователям открыть многие законы физики. В начале 19-века эстафета исследований электромагнитных явлений переходит к французам, где в то время Наполеон помог создать научную организацию - академию, в которую вошло редкое созвездие талантов: ГейЛюссак, Гумбольдт, Араго, Лаплас, Био, Савар, Ампер, Кулон. Академики внесли неоценимый вклад в исследования электромагнетизма. Несомненная их заслуга состоит в том, что в свои исследования электрических и магнитных явлений они внесли количественный характер. Первым, кто внес количественные критерии в теорию электричества, был француз Шарль Огюстен Кулон (1710-1806). Одним из его изобретений были крутильные весы (1784), которые позволяли измерять очень малые силы. С помощью них в 1785 году он открыл закон, названный в последствии его именем, которому подчиняются сила взаимодействия двух точечных зарядов:
В это время были продолжены и исследования магнитных явлений. Со времен Гильберта считалось, что электрические и магнитные явления никак не связаны друг с другом. Однако некоторые наблюдения показывали, что эти явления часто взаимосвязаны. Француз Араго собрал множества свидетелей о фактах перемагничивания компасов кораблей во время грозы. Известен один случай, когда в 1775 году два английских судна двигались параллельными курсами из Лондона в Барбадос. На широте Бермудских островов корабли разметало штормом, при этом один из них был поражен молнией, а другое судно не пострадало. После шторма каждое судно продолжили свой курсом, но, как оказалось, пошли в противоположные стороны. Заметив это, капитаны решили выяснить, почему его партнер решил вернуться назад. После бурных дебатов они решили сверить компасы по звездам. В результате оказалось, что компас пораженного корабля показывал обратное направление. Исследователи искали причину, как электрическая молния влияет на магнитный компас. Ответ пришел из Копенгагена, где датский профессор Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) открыл магнитное действие электрического тока в 1820 г., то есть экспериментально обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. В своем опыте он пропускал ток по прямому проводу и обнаружил, что стрелка лежащего вблизи компаса отклоняется. Эффект был тем сильнее, чем сильнее был ток в проводе. При этом было также замечено непонятное явление, проявляющееся в том, что стрелка компаса устанавливалась перпендикулярно проводу. В том же году французы Био, Савар и Лаплас устанавливают количественный закон, определяющий связь между током в проводе и вектором напряженности магнитного поля, названный их именами. Закон Био-СавараЛапласа гласит:
где B – индукция магнитного поля, j – плотность тока в объеме dV, r – расстояние до точки наблюдения, 
Гн/м.
В это же время Андре Амперу (1775-1867) пришла идея о том, что если ток обладает магнитным действием, то провода с током должны взаимодействовать друг с другом, так же как и магниты, т. е. притягиваться или отталкиваться друг от друга. Узнав об опытах Эрстеда, он за 2 недели с 11 по 25 сентября 1820 года установил законы силового воздействия магнитного поля на проводник с током, названные его именем:
,
dF – сила Ампера.
Ампер считается основателем науки “электродинамики”, в отличие от существовавшей до него электростатики. Опыты Эрстеда и великих французов убедительно доказали, что электрические токи создают магнитное поле. Напрашивался вопрос, существует ли обратная связь, т.е. можно ли с помощью магнитов создать электрический ток? Многие ждали утвердительного ответа на этот вопрос, однако многочисленные опыты физиков не давали положительного результата. Сам Ампер ставил такой опыт. К зажимам гальванометра он подсоединил концы проволочной катушки и вдвигал в нее магнитный сердечник в надежде обнаружить ток на клеммах прибора. Однако во избежание ошибок, связанных с сотрясением прибора, он поместил прибор и катушку в разные комнаты. В процессе опыта он вдвигал сердечник в катушку, шел в другую комнату и смотрел на прибор. Стрелка показывала ноль – открытие не состоялось. Такое положение дел в физике продолжалось до 1831 года, пока англичанин Майкл Фарадей не решился повторить опыт Ампера. И повторил он его со всеми деталями, включая и то, что расположил катушку и прибор в разных комнатах. Единственное, что отличало опыт Фарадея - это присутствие ассистента во время эксперимента. Именно ассистент, наблюдая за поведением прибора в другой комнате, увидел, что его стрелка резко отклонялась, когда Фарадей вдвигал магнит в катушку, а затем быстро возвращалась в исходное нулевое положение, когда движение магнита прекращалось. Этот эффект, конечно же, не заметил Ампер, проводя опыты в одиночку, поскольку не мог вставлять магнит в катушку и одновременно в другой комнате наблюдать за стрелкой прибора. Та и был открыт закон электромагнитной индукции, который можно записать в следующем виде: Э = − ∂Φ , Э – ЭДС, наводимая в ∂t контуре магнитным полем, Φ – поток магнитного поля сквозь контур. Закон электромагнитной индукции – не единственное открытие Фарадея. Кроме того он установил законы электролиза, обнаружил явление вращения плоскости поляризации света, доказал тождественность всех видов электричества (статического и гальванического) ввел понятие электрического и магнитного поля и высказал идею о существовании единого электромагнитного поля. Вероятно, не случайно, что в том же 1831 г., когда М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, в семье шотландского лендлорда Джона Максвелла родился сын Джеймс, который творчески развил идеи Фарадея и создал стройную теорию электромагнитного поля (1864 г.).
Теоретическое обобщение электрических, магнитных и индукционных явлений было сделано британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. Он тщательно изучил работы предшественников - Фарадея, Ампера, Кулона и других пионеров электромагнетизма и сформулировал фундаментальные уравнения электромагнетизма, описывающие взаимосвязь электрических и магнитных полей. В 1865 году Максвелл опубликовал свою знаменитую статью "Динамическая теория электромагнитного поля", в которой предпринял первую попытку единого теоретического описания электрических, магнитных и оптических явлений. Он представил электромагнетизм как единое целое, основанное на концепции электромагнитного поля. В 1873 году Максвелл завершил работу над фундаментальным трудом "Трактат об электричестве и магнетизме". В этой книге он сформулировал систему уравнений, описывающих взаимосвязь электрических и магнитных полей. Эти уравнения, ныне известные как уравнения Максвелла, являются математической основой классической электродинамики. Максвелл также в 1864 году предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. После тщательного анализа своих уравнений им было выведено, что скорость распространения этих волн равна скорости света, что позволило ему сделать вывод о том, что свет является разновидностью электромагнитных волн.
Джеймс Максвелл облачил результаты исследования Фарадея в математическую форму и свел описания всех электрических и магнитных явлений к одной новой системе уравнений. Из этой системы следовало, что электромагнитное возмущение распространяется в пространстве с конечной скоростью, что электромагнитное поле имеет волновой характер и скорость его распространения равна скорости света в данной среде. Это позволило ему высказывать гипотезу об электромагнитной природе света. Умер Максвелл в 1879 г. в возрасте 48 лет. Результаты теории Максвелла были блестяще подтверждены опытами Генриха Герца, который экспериментально получил электромагнитные волны, и Петра Николаевича Лебедева (1866-1912), который открыл и измерил давление света на твердые тела (1899) и газы (1907), количественно подтвердив этим электромагнитную природу света. Ярче всего торжество теории ЭМП проявилось в изобретении радио Александром Степановичем Поповым (1895) и Гульельмо Маркони (1897), что привело к широкому практическому использованию ЭМП. Дальнейшее развитие науки об электромагнетизме и создание Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности привели к пониманию того, что электромагнитное поле является особым видом материи, качественно отличным от вещества.
Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн было получено в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем. Он смог генерировать, излучать и принимать электромагнитные волны в лабораторных условиях, открыв тем самым новую главу в истории физики.
Открытие Герца стало отправной точкой для создания радиотехники. В 1895 году российский физик Александр Попов продемонстрировал первую в мире систему радиосвязи. Вскоре после этого итальянский инженер Гульельмо Маркони изобрел первый коммерческий радиотелеграф.
Развитие классической электродинамики Максвелла-Герца в конце XIX века завершило формирование электромагнетизма как фундаментальной физической теории, объединившей электрические, магнитные и оптические явления.
В начале XX века успехи классической электродинамики были дополнены революционными открытиями в области квантовой механики. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, постулировав существование квантов света - фотонов. Это положило начало становлению квантовой электродинамики.
В 1927 году советский физик Петр Капица обнаружил явление сверхтекучести жидкого гелия, открыв новое квантовое состояние вещества. В 1947 году американские физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели первый полупроводниковый транзистор, заложив основы современной микроэлектроники.
Дальнейшее развитие квантовой электродинамики в 1940-1950-х годах связано с работами Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера и Синъитиро Томонаги. Ими была создана последовательная теория взаимодействия электромагнитного поля с заряженными частицами, учитывающая квантовые эффекты.
Современная квантовая электродинамика является одной из наиболее точных физических теорий. Она позволяет с высокой точностью предсказывать и описывать широкий спектр электромагнитных явлений - от элементарных взаимодействий на субатомном уровне до сложных процессов в космических масштабах.
Знания в области электромагнетизма находят применение в самых разных областях - от электроники и радиотехники до астрофизики и космонавтики. Дальнейшее развитие электромагнитной теории открывает новые возможности для создания высокотехнологичных устройств, совершенствования современных технологий и глубокого познания окружающего мира.
Сегодня электромагнетизм лежит в основе технологий беспроводной связи, электроники, лазеров и квантовых вычислений. Современные ученые изучают его на фундаментальном уровне, включая взаимодействие с гравитацией и космологическими явлениями.
В большинстве случаев макроскопические электромагнитные процессы с необходимой степенью точности могут быть описаны в рамках классической электродинамики. В этом случае взаимодействующие объекты рассматриваются как совокупность материальных точек, характеризуемых помимо массы также и электрическим зарядом. При этом полагается, что взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля — отдельным видом материи, пронизывающим все пространство.
Электростатика рассматривает взаимодействие неподвижных заряженных тел. Основным законом электростатики является закон Кулона, устанавливающий связь между силой притяжения/отталкивания двух заряженных материальных точек, величиной их заряда и расстоянием между ними.
Магнитостатика изучает взаимодействие постоянных по величине и неподвижных в пространстве электрических токов, представляющих по своей сути поток заряженных частиц. В основе магнитостатики лежат закон Био — Савара — Лапласа и закон Ампера. Закон Био — Савара — Лапласа позволяет находить величину магнитного поля, создаваемого малым элементом тока.
Уравнения Максвелла — система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, эти уравнения образуют полную систему уравнений классической электродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла — Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму (одним из ярчайших примеров здесь может служить специальная теория относительности.
Ква́нтовая электродина́мика (КЭД) — квантовополевая теория электромагнитных взаимодействий; наиболее разработанная часть квантовой теории поля. Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает также и прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являются кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов.
Квантовая электродинамика количественно объясняет эффекты взаимодействия излучения с веществом (испускание, поглощение и рассеяние), а также последовательно описывает электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами. К числу важнейших проблем, которые не нашли объяснения в классической электродинамике, но успешно разрешаются квантовой электродинамикой, относятся тепловое излучение тел, рассеяние рентгеновских лучей на свободных (точнее, слабо связанных) электронах (эффект Комптона), излучение и поглощение фотонов атомами и более сложными системами, испускание фотонов при рассеянии быстрых электронов во внешних полях (тормозное излучение) и другие процессы взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. Меньший успех теории при рассмотрении процессов с участием других частиц обусловлен тем, что в этих процессах, кроме электромагнитных взаимодействий, играют важную роль и другие фундаментальные взаимодействия (сильное и слабое).
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи Википедии)
С математической точки зрения КЭД можно описать как теорию возмущений электромагнитного вакуума. Ричард Фейнман назвал ее «жемчужиной физики» за чрезвычайно точные предсказания таких величин, как аномальный магнитный момент электрона и лэмбовский сдвиг энергетических уровней атома водорода
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета,
магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся,
электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
Изучение электромагнетизма дает информацию о конструкции электрических цепей , магнитных цепей и полупроводниковых приборов . А так же позволяет спроектировать, создать новые средства связи, метаматериалы, способы хранения, передачи и получения энергии, новые электронные приборы или компоненты, а так же совершенствовать существующие.
Развитие науки об электромагнетизме прошло путь от простых наблюдений до сложных математических моделей и технологий. объединение электрических и магнитных явлений в рамках уравнений максвелла стало революцией в физике, а современные исследования продолжают углублять понимание природы электромагнитных взаимодействий. достижения в этой области стали основой для множества технологических прорывов, определяющих современный мир.
Комментарии
Оставить комментарий
Теория электромагнитного поля
Термины: Теория электромагнитного поля