Elektromagnetizam

Elektromagnetizam je oblast fizike koja proučava električne i magnetne pojave u prirodi. Reč elektromagnetizam je složenica nastala od dve grčke reči, ἢλεκτρον, ēlektron, što znači "ćilibar" i μαγνήτης, magnētēs, što znači "magnet". Elektromagnetizam povezuje elektrostatiku (oblast koja proučava samo efekte naelektrisanih čestica koje miruju) i magnetizma (koji proučava samo magnetne efekte), u zajedničku oblast koja obuhvata i interakcije između električnih i magnentih polja. Polja kod kojih se u isto vreme razmatraju njihove električne i magnente osobine nazivaju se elektromagnetna polja, a sila kojom ona deluju je elektromagnetna sila.

Elektromagnetizam ima ključnu ulogu za izgled materije kako je srećemo u svakodnevnom životu. Elektroni se raspoređuju oko atomskog jezgra na osnovu elektromagnetnih interakcija i time grade atome koji potom formiraju molekule. Molekuli su međusobno povezani hemijskim vezama koje su određene elektromagnetnim osobinama samih molekula.

Elektromagnetna interakcija jedna je od četiri osnovne interakcije u prirodi, dok su ostale tri su jaka interakcija, slaba interakcija i gravitacija. Kao i gravitacija, elektromagnetna interakcija isto ima dugodometne efekte koje vidimo u elektromagnetnim pojavama u svakodnevnom životu.

Postoje razni matematički opisi elektromagnetnog polja. U klasičnoj elektrodinamici, elektromagnetna polja su opisana Maksvelovim jednačinama. Maksvelove jednačine povezuju efekte električnih i magnetnih polja i dejstva jednih na druge. Maksvelove jednačine obuhvataju istorijski ranije poznate zakone, Gausov zakon, Amperov zakon i Faradejev zakon.

Teoretski domašaji elektromagnetizma, a posebno definisanje brzine svetlosti zasnovane na osnovu njenih osobina pri propagiranju kroz materiju (permeabilnost i permitivnost), su dovela do razvoja specijalne teorije relativnosti koju je formulisao Albert Ajnštajn 1905. godine.

Istorija teorije

Hans Kristijan Ersted

Prvobitno, elektricitet i magnetizam su smatrani dvema različitim silama sve do objavljivanja publikacije Džejmsa Klarka Maksvela Rasprava o elekticitetu i magnetizmu 1873. godine u kojoj je dokazano da međusobno delovanje pozitivnih i negativnih naelektrisanja reguliše jedna sila. Postoje četiri glavna ishoda koji proizilaze iz ovih interakcija, a svaki od njih je jasno dokazan eksperimentima:

1. Naelektrisane čestice privlače ili odbijaju jedna drugu silom koja je obrnuto srazmerna kvadratu rastojanja između njih: različita naelektrisanja se privlače, a ista se odbijaju.

1. Magnetni polovi (iliti stanje polarizacije pojedinačnih tačaka) se privlače ili odbijaju na sličan način i uvek idu u paru: svaki severni pol je spojen sa južnim.

1. Električna struja u provodniku stvara kružno magnetno polje oko istog, a njegov smer (u ili suprotno od smera kazaljke na satu) zavisi od struje.

1. Struja je pobuđena u petlji provodnika kada se on pomera ka ili od magnetnog polja odnosno kada se magnet pomera ka ili od provodnika, a smer struje zavisi od tog kretanja.

Andre-Mari Amper

Dok se pripremao za večernje predavanje 21. aprila 1820. Godine Hans Kristijan Ersted je zapazio nešto zanimljivo. Dok je postavljao svoje materijale, primetio je da je igla na kompasu odstupala od magnetnog severa kada god bi uključio ili isključio baterijsku lampu koju je koristio. Odstupanje ga je ubedilo da magnetna polja zrače iz svih strana žice koja provodi električnu struju, baš kao svetlost i toplota i time je utvrdio direktnu vezu između naelektrisanja i magnetizma.

Majkl Faradej

U vreme svog otkrića Orsted nije dao zadovoljavajuće objašnjenje ove pojave, a nije ni pokušao da prikaže fenomen u okvirima matamatike. Međutim, tri meseca kasnije on je počeo podrobnija istraživanja. Ubzo nakon toga objavio je svoja otkrića dokazujući da električna struja stvara magnetno polje dok teče kroz provodnik. U CGS sistemu jedinica, jedinica za magnetnu indukciju je dobila ime po njemu (oersted) kako bi njegov doprinos u polju elektromagnetizma bio obeležen.

Džejms Klerk Maksvel

Njegova otkrića dovela su do intenzivnih istraživanja elektrodinamike od strane naučničkog društva. Ona su uticala na francuskog fizičara Andre-Mari Amper da razvija matematičku formulu kojom bi definisao magnetne sile između provodnika koji prenose električnu struju. Orstedova otkrića takođe predstavljaju veliki korak napred ka objedinjenom iliti jedinstvenom poimanju energije.

Ovo objedinjavanje, koje je primetio Majkl Faradej, nastavio je Džejms Klark Maksvel, a delimično su ga reformulisali Oliver Hevisajd i Hajnrik Herc i ono predstavlja jedno od ključnih dostignuća XIX veka u oblasti matematičke fizike. Njegove posledice su bile dalekosežne, a jedna od njih je bila razumevanje prirode svetlosti. Za razliku od onoga što je predloženo u elektromagnetizmu, svetlost i drugi elektromagnetski talasi su danas viđeni kao oblik oscilujućih kvantnih poremećaja elektromagnetnog polja koji se sami kreću i nazivaju se fotoni. Različite frekvencije oscilacije su dalje omogućile nastanak različitih oblika elektromagnetnog zračenja, od radio talasa na najnižim frekvencijama, pa preko vidljive svetlosti na srednjim, pa do gama zraka na najvišim frekvencijama.

Orsted nije bio jedini koji je proučavao odnos naelektrisanja i magnetizma. 1802. Godine, italijanski pravnik Đan Domeniko Romanjozi, skrenuo je namagnetisanu iglu elektrostatičkim naelektrisanjem. Zapravo, galvanska struja nije postojala u instalaciji, te nije postojao ni elektromagnetizam. Izveštaj o otkriću je objavljen 1802. godine, u italijanskim novinama, ali je umnogome bio nipodaštavan od strane tadašnjeg društva naučnika.

Pregled

Elektromagnetna sila je jedna od četiri poznate osnovne sile. Ostale tri su:

• Slaba nuklearna sila koja se povezuje sa svim poznatim česticama Standardnog modela i uzrokuje određene oblike radioaktivnog raspadanja (ipak, u fizici elementarnih čestica slaba interakcija je jedinstven opis dveju od četiri poznatih osnovnih interakcija u prirodi: slabu i elektromagnetizam);
• Jaka nuklearna sila koja vezuje kvarkove kako bi oni oformili nukleone i vezuje nukleone kako bi oni oformili atomsko jezgro
• Gravitaciona sila

Sve druge sile (na primer trenje) konačno proizilaze iz ovih osnovnih sila i momentuma koji stvara kretanje čestica.

Elektromagnetna sila je odgovorna za praktično sve fenomene na nivou višem od atomskog koje srećemo u svakodnevnom životu, sa izuzetkom gravitacije. Grubo rečeno, sve sile koje učestvuju u međusobnom delovanju atoma mogu biti objašnjene elektromagnetnom silom koja deluje na naelektrisana atomska jezgra i elektrone u i oko atoma zajedno sa time kako ove čestice prenose inerciju svojim kretanjem. Ovo uključuje sile koje osećamo guranjem ili vučom svakodnevnih materijalnih predmeta koje potiču od međumolekulskih sila između pojedinačnih molekula u našim telima i onih u predmetima. Ovo takođe uključuje i sve oblike hemijskih fenomena.

Neophodan deo razumevanja međuatomskih i međumolekulskih sila je efektivna sila koju stvara momentum kretanja elektrona i to što se elektroni kreću između intereagujućih atoma prenoseći momentum sa sobom. Kako grupa elektrona postaje ograničena, njihov minimalni momentum se obavezno povećava zbog Paulijevog principa isključivanja. Ponašanje materije na molekularnom nivou, uključujući njenu gustinu, je određeno odnosom elektromagnetne sile i sile generisane razmenom momentuma prenošenog samim elektronima.

Klasična elektrodinamika

Naučnik Vilijam Gilbert je u svom delu Magnet 1600. godine izložio da su elektricitet i magnetizam, oba inače sposobna da uzrokuju privlačenje i odbijanje predmeta, različiti uticaji. Mornari su primetili da udari groma ometaju kompase, ali veza između groma i elektriciteta nije potvrđena sve do eksperimenata Bendžamina Frenklina 1752. godine. Jedan od prvih ljudi koji su otkrili i objavili vezu između veštački stvorene struje i magnetizma je Romanjozi koji je 1802. primetio da povezivanje provodnika preko Voltinog stuba remeti iglu u kompasu. Međutm, korist ovog otkrića nije bila poznata do 1820. godine kada je Orsted izveo sličan eksperiment. Orstedov rad je uticao na Ampera da ovaj načini teoriju elektromagnetizma koja je potkrepljena matematičkom osnovom.

Teorija elektromagnetizma, poznata kao klasični elektromagnetizam je razvijena od strane mnoštva fizičara tokom XIX veka, a kulminirala je u radu Džejmsa Klarka Maksvela koji je ujedinio prethodna otkrića u jednu teoriju i koji je otkrio elektromagnetnu prirodu svetlosti. U klasičnom elektromagnetizmu, elektromagnetno polje je određeno nizom jednačina znanim kao Maksvelove jednačine, a elektromagnetska sila Zakonom Lorencove sile.

Jedna od osobina klasičnog elektromagnetizma je to što ju je teško uskladiti sa klasičnom mehanikom, dok je sa specijalnom relativnošću u potpunom skladu. Prema Maksvelovim jednačinama, brzina svetlosti u vakuumu je univerzalna konstanta i zavisi isključivo od magnetne permitivnosti i magnetne permeabilnosti praznog prostora. Ovo se kosi sa Galilejevom relativnosti - viševekovnim temeljem klasične mehanike. Jedan način usklađivanja dve teorije (elektromagnetizma i klasične mehanike) je pretpostavljanje postojanja etra kroz koji se svetlost prenosi. Međutim, naknadni eksperimenti nisu uspeli da otkriju prisustvo etra. Nakon značajnih doprinosa Hendrika Lorenca i Anrija Poenkarea 1905. godine, Albert Ajnštajn je rešio problem sa uvođenjem specijalne relativnosti koja zamenjuje klasičnu kinematiku novom teorijom kinematike koja je usklađena sa klasičnim elektromagnetizmom.

Uz to teorija relativnosti prikazuje da se u pokretnim okvirima koordinatnog sistema magnetno polje transformiše u polje sa električnom komponentom koja nije nula i obrnuto; na taj način jasno pokazu je da postoje dve strane iste medalje pa samim tim i termina elektromagnetizma.

Fotoelektrični efekat

U drugom radu objavljenom iste godine, Albert Ajnštajn je uzdrmao temelje klasičnog elektromagnetizma. U svojoj teoriji fotoelektričnog efekta (za koju je dobio Nobelovu nagradu za fiziku), inspirisan kvantima Maksa Planka, on je pretpostavio da bi svetlost mogla da postoji u odvojenim čestičnim oblicima koji su kasnije nazvani fotonima. Ajnštajnova teorija fotoelektričnog efekta doprinela je novim uvidima u rešenje Ultraljubičaste katastrofe koju je opisao Maksa Planka 1900. godine. U svom radu, Plank je pokazao da vreli predmeti emituju elektromagnetno zračenje u malim paketima (kvantima), što navodi na određenu ukupnu energiju koju zovemo zračenjem apsolutno crnog tela. Oba ova rezultata su bila u potpunoj suprotnosti sa klasičnim poimanjem svetlosti kao kontinualnog talasa. Plankove i Ajnštajnove teorije su bile počeci kvantne mehanike koja je, kada je formulisana 1925, iziskivala pronalazak kvantne teorije elektromagnetizma. Ova teorija, znana kao kvantna elektrodinamika (QED), završena imeđu 1940-ih i 1950-ih i, u situacijama gde je teorija perturbacije primenjiva, je jedna od najtačnijih teorija u fizici.

Veličine i jedinice

Elektromagnetne jedinice su deo sistema električnih oznaka prvenstveno zasnovanih na magnetnim svojstvima električnih struja čija je osnovna SI jedinica amper. Jedinice su:

• amper (električna struja)
• kulon (naelektrisanje)
• farad (kapacitet)
• henri (induktivnost)
• om (otpor)
• tesla (gustina magnetnog fluksa)
• volt (napon)
• vat (snaga)
• veber (magnetni fluks)

U elektromagnetnom CGS sistemu, električna struja je osnovna veličina definisana Amperovim zakonom i uzima permeabilnost kao nemerivu količinu (relativna permeabilnost) čija je vrednost u vakuumu jednaka jedinici. Kao posledica toga, kvadrirana brzina svetlosti se čini eksplicitnom u nekim jednačinama u kojima se predstavlja međusobni odnos veličina u ovom sistemu.

Međunarodni sistem jedinica elektromagnetskih jedinica
Simbol	Naziv	Izvedene jedinice	Jedinica	Jedinica mere
I	električna struja	amper (SI osnovna jedinca)	A	A (= W/V = C/s)
Q	naelektrisanje	kulon	C	A⋅s
U, ΔV, Δφ; E	Električni napon; elektromotorna sila	volt	V	kg⋅m²⋅s−3⋅A−1 (= J/C)
R; Z; X	Električni otpor; impedansa; reaktansa	om	Ω	kg⋅m²⋅s−3⋅A−2 (= V/A)
ρ	otpornost	om metar	Ω⋅m	kg⋅m3⋅s−3⋅A−2
P	Električna struja	Vat	W	kg⋅m²⋅s−3 (= V⋅A)
C	Kapacitivnost	Farad	F	kg−1⋅m−2⋅s4⋅A2 (= C/V)
E	Snaga električnog polja	Volt metar	V/m	kg⋅m⋅s−3⋅A−1 (= N/C)
D	Električna indukcija	Kulon po metru kvadratnom	C/m²	A⋅s⋅m−2
ε	Dielektrična konstanta	Farad metar	F/m	kg−1⋅m−3⋅s4⋅A2
χe	Električna osetljivost	(Bezdimenzionalna)	–	–
G; Y; B	konduktansa; admitansa; susceptansa	simens	S	kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2 (= Ω−1)
κ, γ, σ	provodljivost	simens metar	S/m	kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B	gustina magnetskog fluksa, magnetska indukcija	tesla	T	kg⋅s−2⋅A−1 (= Wb/m² = N⋅A−1⋅m−1)
Φ	Magnetski fluks	veber	Wb	kg⋅m²⋅s−2⋅A−1 (= V⋅s)
H	Jačina magnetnog polja	Amper po metru	A/m	A⋅m−1
L, M	Induktansa	henri	H	kg⋅m²⋅s−2⋅A−2 (= Wb/A = V⋅s/A)
μ	permeabilnost	henrija po metru	H/m	kg⋅m⋅s−2⋅A−2
χ	Magnetska susceptansa	(bezdimenzionalna)	–	–

Elektromagnetski fenomen

Sa izuzetkom gravitacije, elektromagnetski fenomen je definisan Kvantna kvantnom elektrodinamikom (koja uključuje elektrodinamiku kao ograničavajući faktor), uzrok je skoro svih fizičkih pojava koje ljudska čula mogu da prepoznaju bez dodatnih pomagala, uključujući tu svetlost i druga elektromagnetska zračenja, celokupnu hemiju, većinu mehanike (osim gravitacije) i, naravno magnetizam i elektricitet. Magnetni jednopoli i (i Žilbertovi dipoli) nisu striktno elektromagnetne pojave, pošto se magnetna polja u standardnom elektromagnetizmu ne stvaraju pravim magnetnim naelektrisanjem već strujama.

Međutim postoje analogne kondenzovane materije magnetnih monopola među egzotičnim materijalima (spinovani led) stvorenim u laboratoriji.

Elektromagnetna indukcija

Elektromagnetna indukcija je indukcija elektromotorne sile u kolu promenom magnetnog fluksa koji je povezan sa kolom. Ova pojava je prvobitno istraživana između 1830. i 1831. godine od strane Džosefa Henrija i Majkla Faradeja koji su otkrili da kada se magnetno polje oko elektromagneta povećava i smanjuje, električna struja se pojavljuje u obližnjem provodniku. Struja takođe može biti pobuđena konstantnim pomeranjem magneta i unutar i van namotaja žice ili pomeranje provodnika blizu stalnog magneta. Indukovana elektromotorna sila je srazmerna učestalosti promene magnetnog fluksa koji preseca kolo.

Literatura

• R. Penrose (2007). The Road to Reality. Vintage books. ISBN 978-0-679-77631-4. 
• Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism Berkeley Physics Course Volume 2 (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004908-6. 
• Moliton, André (2006). Basic electromagnetism and materials. 430 pages. New York City: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-30284-3. 
• L.H. Greenberg (1978). Physics with Modern Applications. Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5. 
• J.B. Marion, W.F. Hornyak (1984). Principles of Physics. Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2. 
• A. Beiser (1987). Concepts of Modern Physics (4th izd.). McGraw-Hill (International). ISBN 978-0-07-100144-1. 
• Fleisch, Daniel (2008). A Student's Guide to Maxwell's Equations. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1.