Електромагнітне поле (також ЕМ-поле або ЕМП ) — це класичне (тобто неквантове) поле , створене рухомими електричними зарядами . Це поле, яке описується класичною електродинамікою ( класична теорія поля ), і є класичним аналогом квантованого тензора електромагнітного поля в квантовій електродинаміці ( квантова теорія поля ). Електромагнітне поле поширюється зі швидкістю світла (насправді це поле можна ідентифікувати як світло) і взаємодіє із зарядами та струмами. Його квантовий аналог є однією з чотирьох фундаментальних сил природи (інші — гравітація , слабка взаємодія та сильна взаємодія ).
Поле можна розглядати як комбінацію електричного та магнітного полів . Електричне поле створюється нерухомими зарядами, а магнітне — рухомими ( електричними струмами ); ці два часто описуються як джерела поля. Спосіб взаємодії зарядів і струмів з електромагнітним полем описується рівняннями Максвелла (де також описується, як змінне в часі поле може створювати інші поля, і пояснюється, чому електромагнітне випромінювання не потребує жодного середовища для поширення ) і законом сили Лоренца .
З класичної точки зору в історії електромагнетизму , електромагнітне поле можна розглядати як плавне, безперервне поле, що поширюється хвилеподібно. Навпаки, з точки зору квантової теорії поля це поле розглядається як квантоване; це означає, що вільне квантове поле (тобто невзаємодіюче поле) може бути виражене як сума Фур'є операторів створення та знищення в просторі енергії-імпульсу, тоді як ефекти взаємодіючого квантового поля можуть бути проаналізовані в теорії збурень через S-матрицю з допомога цілого ряду математичних прийомів, таких як ряд Дайсона , теорема Віка ,кореляційні функції , оператори еволюції в часі , діаграми Фейнмана тощо. Зверніть увагу, що квантоване поле все ще є просторово безперервним; однак його енергетичні стани є дискретними; Його значення енергії повинні бути цілими кратними, дискретні кванти енергії, які називаються фотонами , створені операторами створення квантового поля . Загалом частотаквантованого поля може бути будь-яким значенням вище нуля, і тому значення кванта енергії (фотона) може бути будь-яким значенням вище нуля або навіть безперервно змінюватися в часі.
Кількісні характеристики
Електромагнітне поле характеризується векторними величинами напруженістю електричного поля , вектором електричної індукції , вектором магнітної індукції й напруженістю магнітного поля .
У вакуумі
У середовищі ці співвідношення несправедливі через процеси поляризації та намагнічування. В загальному випадку
де — вектор поляризації, а — вектор намагніченості.
Конкретний зв'язок між цими величинами визначається фізичними процесами, які відбувається в середовищі й описується формулами, які називаються матеріальними співвідношеннями.
Наприклад для однорідних ізотропних середовищ при слабких полях і без врахування запізнення й просторової дисперсії матеріальні співвідношення записуються:
де ε — діелектрична проникність середовища, μ — магнітна проникність середовища.
У теорії відносності електромагнітне поле описується 4-тензором електромагнітного поля.
Джерела електромагнітного поля
Електромагнітне поле створюється зарядами. Непорушні заряди створюють електричне поле, рухомі заряди — електричне й магнітне поле.
Необхідно зауважити, що магнітне поле постійних магнітів створюється узгодженим рухом електронів у атомах, тобто мікроскопічними електричними струмами.
Дія на фізичні тіла
Електромагнітне поле, яке породжується зарядами й струмами, діє на заряди й струми в фізичних тілах.
Сила, з якою електромагнітне поле діє на заряджену частку називається силою Лоренца.
Електромагнітне поле взаємодіє також через свою магнітну складову зі спінами часток.
Енергія електромагнітного поля
Електромагнітне поле може виконувати роботу з переміщення зарядів й обертання магнітних моментів, а отже має потенціальну енергію. Енергія електромагнітного поля W визначається формулою
де інтегрування проводиться по всьому простору.
Зміна енергії електромагнітного поля з часом підпорядковується рівнянню неперервності
де — вектор Пойнтінга, що описує потік електромагнітного поля.
Розповсюдження в просторі
Електромагнітне поле створене зарядами розповсюджується в просторі у вигляді електромагнітних хвиль.
Таким чином взаємодія заряджених тіл не є миттєвою. Зміна положення одного заряду викликає зміну сили, з якою він діє на інший заряд, лише через проміжок часу, потрібний для того, щоб електромагнітна хвиля подолала віддаль між зарядами. Електромагнітні хвилі розповсюджуються зі швидкістю світла.
Фотони
Носіями електромагнітного поля є фотони — елементарні частки із нульовою масою спокою.
Електромагнітні хвилі випромінюються й поглинаються квантами із енергією .
Див. також
Примітки
Джерела та література
- Сугаков В. Й. Електродинаміка. — К. : Вища школа, 1974. — 271 с.
- Федорченко А. М. Класична механіка і електродинаміка // Теоретична фізика. — К. : Вища школа, 1992. — Т. 1. — 535 с.
- Сивухин Д. В. Электричество // Общий курс физики. — М. : Физматлит, 2006. — Т. 3. — 656 с.
- Тамм И. Е. Основы теории электричества. — М. : Наука, 1989. — 500 с.
| Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |