Elektromagnetna sila

Elektromagnetna sila je sila u fizici kojom elektromagnetno polje deluje na naelektrisanu česticu koja se u njemu nalazi. To je sila koja održava elektrone i protone u atomima i atome u molekulima. Jedna je od četiri osnovna vida interakcije, u koje pored nje spadaju i gravitaciona, slaba i jaka nuklearna sila.

Elektromagnetna sila je opisana Maksvelovim objedinjenjem električne i magnetske sile. Primer je elektrostatička sila između naelektrisanih čestica koja proizlazi od izmene virtualnih fotona. Jačina te sile karakterisirana je bezdimenzionalnom konstantom fine strukture, α = 1/137. Ova sila, a time i brzina elektromagnetskih procesa, se nalazi između jakih i slabih međudelovanja. Na fundamentalnijoj skali energija, dostupnoj modernim akceleratorima čestica, elektromagnetska sila objedinjena je sa slabom silom u elektroslabu silu. Pritom je kvantna elektrodinamika, kao uspešna teorija elektromagnetskoga međudelovanja, bila uzor formulaciji elektroslabe teorije. Elektromagnetna sila je sila kojom elektromagnetsko polje deluje na električno naelektrisane čestice.

Istorija

Ideja o nemogućnosti odvojenog postojanja električnog bez magnetnog polja potiče od Džejmsa Klerka Maksvela, koji je 1873. godine predložio koncept po kojem oko svakog naelektrisanja postoji i električno i magnetno polje (osim za pojedinačne referentne sisteme) pa se stoga govori o elektromagnetnoj sili.

Elektricitet i magnetizam su smatrani dvijema različtim silama. To se razmišljanje promenilo nakon što je Džejms Klerk Maksvel 1873. objavio Treatise on Electricity and Magnetism u kojem je pokazao da je međudelovanje pozitivnog i negativnog naboja jedna sila. Iz tih međudelovanja proizlaze četiri glavna učinka koja su bila jasno pokazana eksperimentima:

1. Električni naboji se međusobno privlače ili odbijaju silom obrnuto proporcionalnom kvadratu udaljenosti među njima: naboji suprotnog predznaka se privlače a naboji istog predznaka se odbijaju.
2. Magnetski polovi se privlače ili odbijaju na sličan način i uvek se nalaze u paru: svaki severni pol je vezan južnim polom.
3. Električna struja u žici stvara kružno magnetsko polje oko žice. Smer polja zavisi od smera električne struje.
4. Električna struja se indukuje u petlji žice kad se žica pomiče prema ili od magnetskog polja, ili se magnet pomiče prema ili od žice. Smer struje zavisi od smera pomicanja.

Pregled

Elektromagnetna sila je jedna od četiri osnovne sile. Ostale fundamentalne sile su: jaka nuklearna sila (koja drži zajedno kvarkove, zajedno sa ostatkom jake sile, rezidualnom jakom nuklearnom silom koja na okupu drži nukleone) i tako formira atomsko jezgro, slaba nuklearna sila (koja uzrokuje neke oblike radioaktivnog raspada) i sila gravitacije. Sve ostale sile potiču od ove četiri fundamentalne sile.

Četiri fundamentalne sile prirode

Osobina/Interakcija	Gravitacija	Slaba	Elektromagnetna	Jaka
		(Elektroslaba)		Fundamentalna	Rezidualna
Deluje na:	Masa - energija	Aroma	Električno naelektrisanje	Kolor naboj	Atomsko jezgro
Čestice na koje deluje:	Masivne čestice	Kvarkovi, leptoni	Naelektrisane čestice	Kvarkovi, Gluoni	Hadroni
Čestice koje posreduju:	Nisu uočene (Hipotetični graviton)	W+, W− i Z0	γ (foton)	Gluoni	π, ρ i ω mezoni
Snaga na skali kvarkova:	6959100000000000000♠10−41(predviđeno)	6996100000000000000♠10−4	1	60	Nije primenljivo na kvarkove
Snaga na skali protona/neutrona:	6964100000000000000♠10−36(predviđeno)	6993100000000000000♠10−7	1	Nije primenljivo na hadrone	20

Elektromagnetna sila je odgovorna za praktično sve događaje koji se zbivaju u svakodnevnom životu uz jedan izuzetak, gravitaciju. Grubo govoreći, sve sile uključene u međudelovanja između atoma možemo pratiti do elektromagnetne sile koja deluje na protone i elektrone unutar atoma. To uključuje sile koje se javljaju pri „guranju“ ili „vučenju“ uobičajene materijalne stvari, koje dolaze od unutarmolekularnih sila između pojedinačnih molekula u našim telima i onih u objektima. Tu takođe spadaju hemijski fenomeni, koji nastaju u međudelovanjima između elektronskih orbitala.

Konstanta fine strukture

Glavni članak: Konstanta fine strukture

Konstanta fine strukture (oznaka α) je prirodna konstanta, bezdimenzionalna veličina u fizici elementarnih čestica koja opisuje jačinu međudelovanja između električkih naelektrisanih čestica i fotona. Ona je konstanta vezanja u elektromagnetskim delovanjima, a određuje finu strukturu (cepanje spin–staza) u atomskim spektrima. Njena je definicija:

$\alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar \cdot c\cdot \ 4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}}}=7,297\,352\,5376(50)\times 10^{-3}={\frac {1}{137,035\,999\,679(94)}}$

gde je:

• e - elementarni naboj;
• ħ = h/2π - redukovana Plankova konstanta;
• c - brzina svetlosti u vakuumu;
• ε₀ - dielektrična permitivnost vakuuma.

Konstantu fine strukture u fiziku je uveo A. Somerfild, proširujući Borov model atoma uključivanjem relativističkih pojava i eliptičnih staza kretanja elektrona, te kvantizirajući energiju, linearnu i ugaonu količinu kretanja. Konstanta fine strukture je važna u teorijskim proračunima i razumevanju elektromagnetskih međudelovanja i zračenja, te ulazi u matrične elemente različitih elektromagnetskih procesa, određujući njihove udarne preseke i raspade.

Kvantna mehanika

Rana kvantna teorija

Glavni članak: Fotoelektrični efekat

U drugom radu objavljenom 1905. godine, Albert Ajnštajn je potkopao same temelje klasičnog elektromagnetizma. U njegovoj teoriji fotoelektričnog efekta, za koji je nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku, on je postulirao da svetlost može da postoji u diskretnim, česticama sličnim kvantitetima, koji su kasnije nazvani fotonima. Ajnšajnova teorija fotoelektričnog efekta je pružila bolji uvid u zaključke koji su proizašli iz rešenja ultraljubičaste katastrofe, koje je predstavio Maks Plank 1900. godine, i koji je skovao termni „kvant“. U svom radu, Plank je pokazao da topli objekti emituju elektromagnetnu radijaciju u diskretnim paketima (kvantima), što ima za posledicu konačnost totalne energije emitovane kao radijacija crnog tela. Oba ova rezultata su bila u direktnoj kontradikciji sa klasičnim gledištem svetlosti kao kontinuiranog talasa. Plankova i Ajnšajnova teorija su bile preteče kvantne mehanike, koja je formulisana 1925. godine, i u okviru koje je došlo do izuma kvantne teorije elektromagnetizma.

Kvantna elektrodinamika

Glavni članak: Kvantna elektrodinamika

Maksvelove jednačine su zamenjene kvantnom elektrodinamikom. Ričard Fajnman je to nazivao „draguljom fizike“ zbog izuzetno tačnih predviđanja kvantiteta kao što je Lemovo pomeranje, i merenja magnetnog momenta elektrona. Elektromagnetno polje se kvantizuje tako što se podrazumeva da je svaka tačka u prostoru i vremenu kvantni harmonijski oscilator. Prazno polje (stanje vakuuma) randomno fluktuira kao posledica principa neodređenosti. Ova teorija je kompletirana tokom 1940-tih i 1950-tih. Ona je najtačnija teorija poznata u fizici u situacijama gde se može primeniti teorija perturbacija. Poput klasičnog elektromagnetizma, kvantna elektrodinamika je linearna U(1) merna grupa.

Elektroslabe interakcije

Glavni članak: Elektroslabe interakcije

Elektroslaba interakcija je opis jedinstvene teorije polja dve od četiri poznate fundamentalne interakcije prirode: elektromagnetizma i slabe interakcije. Ona je u SU(2) × U(1) mernoj grupa. Mada ove dve sile izledaju veoma različito pri svakodnevnim niskim energijama, teorija ih modeluje kao dva različita aspekta iste sile. Pri energijama većim od 100 GeV, zvanim energija ujedinjenja, ove dve sile se spajaju u zajedničku elektroslabu silu. Kad je svemir bio dovoljno topao (približno 10¹⁵ K, što je temperature koja je bila premašena kratkotrajno nakon velikog praska) elektromagnetna sila i slaba sila su bile spojene u elektroslabu silu. Sa hlađenjem svemira, na kraju elektroslabe epohe, elektroslaba sila se razdvojila u elektromagnetnu silu slabu silu. Tokom sledeće kvarkne epohe, još uvek je bilo suviše toplo za kvarkove da se kombinuju u hadrone i oni su se slogodno kretali.

Haotični i pojavni fenomeni

Vidi još: Teorija haosa i samoorganizacija

Matematički modeli koji se koriste u klasičnom elektromagnetizmu, kvantnoj elektrodinamici i standardnom modelu svi tretiraju elektromagnetnu silu kao linearni set jednačina. U tim teorijama elektromagnetizam je U(1) merna teorija, čija topološka svojstva ne dozvoljavaju bilo kakve kompleksne nelinearne interakcije polja sa samim sobom. Na primer, u kvantno elektrodinamičkom vakuumu polje randomno fluktuira kao posledica principa neizvesnosti, ali ove fluktuacije se međusobno poništavaju bez ikakvog opažljivog efekta. Međutim, postoji mnoštovo opažanja nelinearnih fizičkih elektromagnetinih fenomena, kao što su Aharonov-Bomov (AB) i Altšuler–Aronov–Spivakov (AAS) efekti, Berijev, Aharonov–Anandanov, Pančaratnamov i Đijao–Vuov fazno rotacioni efekti, Džosefsonov efekat, Kvantni efekat Hola, efekat de Has–van Alfena, Sagnakov efekat i mnogi drugi fizički uočljivi fenomeni koji daju indikacije da polje elektromagnetnog potencijala ima realno fizičko značenje, i da nije samo matematički artefakt i da stoga jedna sveobuhvatna teorija ne bi ograničila elektromagnetizam kao lokalnu silu kao što se to trenutno radi, nego kao SU(2) mernu teoriju ili sa višim redom geometrije. Viši redovi simetrije omogućavaju nelinearna, neperiodična ponašanja što se manifestuje nizom kompleksnih neravnotežnih fenomena koji se ne javljaju u linearizovanoj U(1) teoriji, kao što su višestruka stabilna stanja, lomljenje simetrije i haos.

Vidi još

• Lorencova sila
• Elektromagnetizam
• Magnetsko polje
• Električno polje
• Gustina magnetskog fluksa
• Maksvelove jednačine

Literatura

• Penrose, Roger (2004). The Road to Reality (8th izd.). New York: Alfred A. Knopf. str. 453—454. ISBN 978-0-679-45443-4. 
• Barrett, Terence W. (2008). Topological Foundations of Electromagnetism. Singapore: World Scientific. str. 2. ISBN 978-981-277-997-7. 
• Feynman, Richard (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12575-6. 

• Barrett, Terence William; Grimes, Dale Mills (1995). Advanced Electromagnetism: Foundations, Theory and Applications. World Scientific. ISBN 9789810220952. 
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentals of applied electromagnetics (6th izd.). Boston: Prentice Hall. str. 13. ISBN 978-0-13-213931-1. </ref> Jedna je od četiri osnovna vida interakcije, u koje pored nje spadaju i gravitaciona, slaba i jaka nuklearna sila.<ref name="www.pha.jhu.edu" >„Standard Model of Particles and Interactions”. jhu.edu. Johns Hopkins University. Arhivirano iz originala 4. 3. 2016. g. Pristupljeno 18. 8. 2016. „.gif” 
• Nave, R. „Electricity and magnetism”. HyperPhysics. Georgia State University. Pristupljeno 12. 11. 2013. 
• Khutoryansky, E. „Electromagnetism - Maxwell's Laws”. Pristupljeno 28. 12. 2014. 
• G.A.G. Bennet (1974). Electricity and Modern Physics (2nd izd.). Edward Arnold (UK). ISBN 978-0-7131-2459-0. 
• Dibner, Bern (2012). Oersted and the discovery of electromagnetism. Literary Licensing, LLC. ISBN 978-1-258-33555-7. 
• Durney, Carl H.; Johnson, Curtis C. (1969). Introduction to modern electromagnetics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9. 
• Feynman, Richard P. (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol II. Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8. 
• Fleisch, Daniel (2008). A Student's Guide to Maxwell's Equations. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1. 
• I.S. Grant; W.R. Phillips; Physics, Manchester (2008). Electromagnetism (2nd izd.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9. 
• Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (3rd izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. 
• Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd izd.). Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1. 
• Moliton, André (2007). Basic electromagnetism and materials. 430 pages. New York City: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-30284-3. 
• Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism Berkeley Physics Course Volume 2 (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004908-6. 
• Rao, Nannapaneni N. (1994). Elements of engineering electromagnetics (4th ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-948746-0. 
• Rothwell, Edward J.; Cloud, Michael J. (2001). Electromagnetics. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1397-4. 
• Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Light, Electricity and Magnetism (4th izd.). W. H. Freeman. ISBN 978-1-57259-492-0. 
• Wangsness, Roald K.; Cloud, Michael J. (1986). Electromagnetic Fields (2nd Edition). Wiley. ISBN 978-0-471-81186-2. 
• A. Beiser (1987). Concepts of Modern Physics (4th izd.). McGraw-Hill (International). ISBN 978-0-07-100144-1. 
• L.H. Greenberg (1978). Physics with Modern Applications. Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5. 
• R.G. Lerner; G.L. Trigg (2005). Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). VHC Publishers, Hans Warlimont, Springer. str. 12—13. ISBN 978-0-07-025734-4. 
• J.B. Marion; W.F. Hornyak (1984). Principles of Physics. Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2. 
• H.J. Pain (1983). The Physics of Vibrations and Waves (3rd izd.). John Wiley & Sons,. ISBN 978-0-471-90182-2. 
• C.B. Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-051400-3. 
• R. Penrose (2007). The Road to Reality. Vintage books. ISBN 978-0-679-77631-4. 
• P.A. Tipler; G. Mosca (2008). Physics for Scientists and Engineers: With Modern Physics (6th izd.). W.H. Freeman and Co. ISBN 978-1-4292-0265-7. 
• P.M. Whelan; M.J. Hodgeson (1978). Essential Principles of Physics (2nd izd.). John Murray. ISBN 978-0-7195-3382-2.