Електромагнетно поле

Магнетно поле на прав спроводник.

Магнетно поле на соленоид.

Eлектромагнетно поле (исто така МП или ЕМ-поле) — физичко поле произведено од eлектирчно наполнети објекти. Тоа влијае на однесувањето на наполнетите објектите во близина на полето. На електромагнетно поле се протега на неодредено време во текот на простор и ги опишува електромагнетни интеракција. Тоа е една од четирите фундаментални сили на природата (другите се гравитацијата, слаба интеракција и силна интеракција).

Полето може да се гледа и како комбинација на електричното поле и магнетно поле. Електричното поле е произведена од стационарни полнежи, и магнетното поле со поместување на полнежи (струја); овие две се често опишувани како извори на теренот. Начинот на кој трошоците и струите комуницираат со електромагнетното поле е опишана од страна на Максвел е равенки и Законот на Лоренц.

Од една класична перспектива во историјата на електромагнетизмот, електромагнетното поле може да се смета како мазно, континуирано поле, се движи на брановиден начин, додека од гледна точка на квантната областа теорија, областа се гледа како квантитативна, составена од поединечни честички.

Структура

На електромагнетно поле може да се гледа на два различни начини: континуирана структура или дискретни структури.

Континуирана структура

Електричните и магнетните полиња се сметаат за произведени со мазни движења на наполнети објекти. На пример, осцилирачки трошоци произведени на електрични и магнетни полиња кои можат да бидат видени во "мазна', континуирана, брановидна фора. Во овој случај, енергија се гледа како се пренесува континуирано преку електромагнетно поле помеѓу било кои две локации.Овој приказ е корисен, до одреден степен (зрачење на ниска честота), но проблеми се наоѓаат на високи честоти.

Дискретните структури

На електромагнетно поле може да се гледа на 'цврст' начин. Експериментите покажуваат дека во некои околности преносната електромагнетна енергија е подобро да се опише како се врши во форма на пакети нарекува quanta (во овој случај, фотони) со фиксна честота.

${\displaystyle }$

каде h е Planck е постојана, и ν е честотата на фотон.Иако модерните квантна оптика ни кажува дека таму исто така е полукласична објаснување на фотоелектрически ефект—електрони од метални површини изложени на електромагнетното зрачење—фотон  историски се користи за да се објаснат одредени забелешки. Тоа е резултат од зголемувањето на интензитетот на зрачење, се зголемува само бројот на електрони исфрлена, и речиси и да нема ефект врз енергичната дистрибуција на нивното исфрлање. Само на честотата на зрачење се релевантни за енергијата на исфрлена електрони.

Оваа нова слика на електромагнетно поле (кое се третира како аналогни на хармонично осцилатори) се покажала како многу успешна, која доведуваат до квантна електродинамика.Тоа, исто така, доведува до квантна оптика, која е различна од квантна електродинамика во кои материја сама по себе е моделирана како користење на квантна механика наместо на квантно поле теорија.

Динамика

Во минатото, electrically обвинет објекти се мислеа дека се произведени на два различни, неповрзани видови на полето поврзани со нивна надлежност сопственост. На електричното поле е произведен кога полнежот е неподвижен, и магнетно поле , кое на електричното поле е произведен кога цената се движи, создавање на електрична струја во однос на овој набљудувач. Со текот на времето, се сфатило дека на електрични и магнетни полиња е подобро да се мисли како на два дела од поголема целина — електромагнетно поле. До 1820, кога данската физичар H. C. Ørsted го открил ефектот на електрична енергија преку жица на компас игла, електрична енергија и магнетизам биле видени како феномени кои не се поврзани.Во 1831, Мајкл Фарадеј, еден од најголемите мислители на своето време, направил набљудување на како различни магнетни полиња може да предизвикаат електрични струи и потоа, во 1864, Џејмс Кларк Максвел го објави својот познат труд Динамички теорија на електромагнетно поле.

Откако ова електромагнетно поле е изработена од дадена дистрибуција, други наполнети објекти во ова поле ја доживуваат силата на сличен начин на кој планети ја искуствуваат силата во гравитациското поле на сонцето. Ако овие други давачки и струи се споредливи во големина на извори за производство на горенаведените електромагнетно поле, потоа ново нето електромагнетно поле ќе се произведува. Така, на електромагнетно поле може да се гледа како динамичен субјект кој предизвикува други давачки и струи да се движат, и кои се исто така погодени од нив. Овие интеракции се опишани од страна на Максвел е равенки и Lorentz сила на закон. Оваа дискусија го игнорира зрачењето реакциона сила.

Јамка на повратни информации

Однесувањето на електромагнетно поле може да биде поделено во четири различни делови на една јамка:

• електрични и магнетни полиња се генерирани од страна на електрични обвиненија,
• електрични и магнетни полиња стапуваат во интеракција едни со други,
• електрични и магнетни полиња произведуваат сили на електрични обвиненија,
• електрични обвиненија се движат во просторот.

Заеднички недоразбирање е дека (а) квантата на полињатасе дејствува на ист начин како и (б) на наелектризирани честички кои создаваат полиња. Во нашиот секојдневен свет, обвинет честички како електроните, се движи полека низ прашина и лебдат на дел од еден сантиметар (или инчи) по секунда, но полињата се шират на брзината на светлината - околу 300 илјади километри (или 186 илјади милји) .На секојдневната брзина разликата помеѓу наелектризираните честички и областа кванта е од редот на еден до милион, повеќе или помалку. Максвеловите равенки се однесуваат (а) присуството и движењето на наелектризираните честички со (б) генерација на полиња. Тие полиња, тогаш може да влијаат на силата, и тогаш може да се движат други додека полека се движат наелектризирани честички. Наелектризираните честички може да се движи во релативна брзина блиску до областа на размножување на брзина, но, како што Ајнштајн покажал ова бара огромни областа на енергија, кои не се присутни во нашето секојдневно искуство со електрицитет, магнетизам,времето и просторот.

Овој циклус може да се сумира во некоја листа, вклучувајќи феномени кои припаѓаат на секој дел од јамка:

• наелектризираните честички се генерираат електрични и магнетни полиња
• полињата комуницираат едни со други
  • менување на електричното поле делува како струја, генерирање 'вител" на магнетното поле
  • Фарадеј индукција: менување на магнетно поле предизвикува (негативни) вител на електричното поле
  • Лензов закон: негативни повратни информации јамка помеѓу електрични и магнетни полиња
• полиња се постапува по честички
  • Лоренова сила: сила поради електромагнетно поле
    • електрични сила: иста насока како и електричното поле
    • магнетна сила: нормално и на магнетното поле и на брзината на полнење
• честичките се движат
  • тековна е движење на честичките
• честички се произведуваат повеќе електрични и магнетни полиња; циклусот се повторува

Математички опис

Постојат различни математички начини на претставување на електромагнетно поле. Првите ставови на електрични и магнетни полиња се дека тие се како три-димензионални векторски полиња. Овие векторски полиња имаат вредност и се дефинирани во секоја точка од просторот и времето и затоа често се сметаат како функции на просторот и времето. Како такви, тие често се напишани како E(x, y, z, t) (електрично поле) и B(x, y, z, t) (магнетното поле).

Ако само електричното поле (E) не е нула, и е постојано во време, полето е електростатичко поле. Слично на тоа, ако само магнетното поле (Б) не е нула и е константно во времето, областа е магнетностатско поле. Меѓутоа, ако било електричното или магнетното поле зависат од времето,тогаш двете области се сметаат  како заедничко електромагнетно поле со користење на Максвеловите равенки.

Со специјалната релативност, физичките закони станале подложени на формализам од тензори. Максвеловите равенки може да се запишат во тензор форма, генерално гледано од страна на физичари што се поелегантен начин на изразување на физичките закони.

На однесување на електрични и магнетни полиња, без разлика дали во случаи на електростатички, магнетностски, или електординамични полиња, ерегулирано е од страна на Максвеловите равенки. Во векторски областа формализам, овие се:

${\displaystyle }$ (Гаус е закон)

${\displaystyle }$ (Гаус е законот за магнетизам)

${\displaystyle }$ (Фарадеј е закон)

${\displaystyle }$ (Максвел–Ampère законот)

каде ${\displaystyle }$ е задолжена густина, која може да зависи од времето и местото, ${\displaystyle }$ е permittivity на слободен простор, ${\displaystyle }$ е пропустливост на слободен простор, и J е тековната густина на вектор, исто така во функција на времето и местото. Единици кои се користат погоре се стандард SI единици. Во внатрешноста на линеарни материјал, Максвеловите равенки се промени со вклучување на пропустливост и permittivity на слободен простор со пропустливост и permittivity на линеарни материјал во прашање. Внатре други материјали кои поседуваат повеќе комплексни одговори на електромагнетни полиња, овие термини често се претставени со комплексни броеви, или tensors.

Кога поле патува низ различни медиуми, својствата на полето се менуваат според различните гранични услови. Овие равенки се добиваат од Максвеловите равенки. Тангенционалните компоненти на електрични и магнетни полиња се однесуваат на границата на две медиуми се како што следува:

${\displaystyle }$

${\displaystyle }$ (тековна-бесплатно)

${\displaystyle }$ (бесплатно-бесплатен)

${\displaystyle }$

На аголот на рефракција на електричното поле меѓу медиумите е поврзана со permittivity ${\displaystyle }$ на секој медиум:

${\displaystyle }$

На аголот на рефракција на магнетно поле меѓу медиумите е поврзана со пропустливост ${\displaystyle }$ на секој медиум:

${\displaystyle }$

Својствата на област

Реципрочното однесување на електрични и магнетни полиња

Две Максвелоови равенки, Фарадеевиот  Закон и Ампере-Максвеловиот Закон, се илустрира како многу практична функција на електромагнетно поле. Фарадеевиот Закон може да се објасни приближно како "промената на магнетното поле создава електрично поле'. Ова е принцип зад електричен генератор.

Ампереевиот Закон грубо наведува дека "менувањето на електричното поле создава магнетно поле'. Така, овој закон може да се примени за да се генерира магнетно поле и работи на електричен мотор.

Однесување на полиња во отсуство на полнежи или струи

Максвеловите равенки се во форма на електромагнетни бранови и во обем не содржат полнежи или струи (слободен простор) –  каде ${\displaystyle }$ и J се нула. Под овие услови, електрични и магнетни полиња ја задоволуваат  равената на електромагнетни бранови :

${\displaystyle }$

${\displaystyle }$

Џејмс Кларк Максвел бил првиот да го добие овој однос од страна на неговиот завршување на Максвеловите равенки.

Однос и споредба со други физички полиња

Како една од четирите фундаментални сили на природата, тоа е корисно да се спореди електромагнетно поле со гравитациски, силните и слабите полиња. Зборот "сила" е, понекогаш се заменува со "интеракција", бидејќи модерната физика на честички го претставува електромагнетизмот како размена на честички познат како мерач босонс

Електромагнетни и гравитациски полиња

Изворите на електромагнетните полиња се состојат од два типа на полнење – позитивно и негативно. Ова се разликува со изворите на гравитациското поле, кои се масите. Масите понекогаш се опишуваат како гравитациски трошоци, и важна одлика за нив е дека постојат само позитивни маси и нема негативни масите. Понатаму, гравитацијата се разликува од електромагнетизмот во кои позитивни маси привлекуваат други позитивни маси .

Релативните предности и се движи од четири интеракции и други информации се табела подолу:

Теорија	Интеракција	медијаторот	Релативна Големина	Однесување	Опсег
Chromodynamics	Силна интеракција	gluon	1038	1	10−15 m
Electrodynamics	Електромагнетни интеракција	фотон	1036	1/r2	бесконечна
Flavordynamics	Слаби интеракција	W и Z bosons	1025	1/r5 1/r7	10−16 m
Geometrodynamics	Гравитацијата	graviton	100	1/r2	бесконечна

Апликации

Статички E и M полиња и статични ЕМ полиња

Кога ЕМ поле не е различно во време, тоа може да се гледа како на чисто електрични поле или чисто магнетно поле, или смеса од двете. Сепак во општ случај на статичното ЕМ поле е со две електрични и магнетни компоненти, што е случај во повеќето набљудувачи. Набљудувачите кои се гледаат само на електричното или магнетното поле компонента на статична ЕМ поле, имаат други (електрични или магнетни) компоненти кои се потиснати,тоа се должи на посебен случај на неподвижост на трошоци кои се произведуваат на ЕМ поле во тој случај. Во такви случаи друга компонента се манифестира во други набљудувачки рамки.

Последица на ова, е тоа што секој случај што се чини дека да се состојат од "чиста" статичка електричното или магнетното поле, можат да се претворат во еден ЕМ-поле, со двете E и M компоненти присутни, со едноставно движење на набљудувач во рамките на референтната кој се движи со поглед на рамката во која само на "чиста" електричното или магнетното поле се појавува. Тоа е чиста статични електричното поле ќе се покаже на познати магнетно поле, поврзани со тековната, во било референтна рамка каде на чело се движи. Исто така, секое ново движење на цената во регионот, што се чинеше дека претходно да содржи само магнетно поле, ќе покаже дека простор сега содржи електрично поле, како и, кој ќе се најде да произведува дополнителни Lorentz на сила по движат полнење.

На тој начин, електростатиката, како и магнетизам и магнентостатиата, сега се гледаат како на студии на статичката ЕМ-поле кога одредена рамка е избран за да се потисне на друг вид на терен, а со оглед на ЕМ-поле со двете електрични и магнетни ќе се појави во која било друга рамка, овие "поедноставно" ефекти се само набљудувач. "Апликации" на сите такви не-време различни (статични) полиња се дискутирани во главниот статии поврзани во овој дел.

Време-различни ЕМ-полиња во Максвеловите равенки

На ЕМ-поле што варира во времето има два „предизвикувачи“ во Максвеловите равенки. Една од нив се полнежите и струите (т.н. "извори"), и друга причина за E или М поле е промената во друг вид на поле.

Електромагнетно поле кое е многу далеку од струи и напони (извори) се нарекува електромагнетно зрачење (EMR), бидејќи тоа зрачи од полнежите и струи во изворот, и нема "повратни информации" , и исто така не влијае директно со нив во сегашно време (наместо тоа, индиректно се произведени од страна на секвенци на промени во области која е надвор од нив во минатото). EMR се состои од зрачења во електромагнетниот спектар, вклучувајќи радио бранови, микробранова, инфраред, видлива светлина, ултравиолетова светлина, Х-зрации гама-зраци. 

Еден од поинтересните примена на видливата светлина е дека овој тип на енергија од Сонцето сили, целиот живот на Земјата кои или го прави или користи кислород.

Промена на електромагнетно поле кое е физички блиску до струи и напони ќе има одлики што  доминираат на дипол од страна на или менување на електричниот дипол, или промена на магнетниот дипол. Овој тип на дипол поле во близина на извори се нарекува електромагнетна во близина на поле.

Менување на електричните дипол полиња, како такви, се користи комерцијално како близина на области, главно како извор на диелектрично греење. 

Промена на магнетните дипол полиња  се користи комерцијално за многу видови на магнетна индукција . Овие вклучуваат електрични мотори и трансформатори при ниски честоти и уреди, како што се метал детектори и МРИ скенер калеми на повисоки честоти. Понекогаш овие високи честоти на магнетните полиња прават промена на радио честоти, без да бидат далеку областа . Понатаму се користат ЕМ влијанија во плизина на полето кои комерцијално, може да се најдат како дел на виртуелна фотони, бидејќи на квантно ниво, овие области се застапени со овие честички.

Здравје и безбедност

Потенцијални здравствени ефекти на многу ниска честота EMFs се предмет на перманентно истражување и значителна количина на јавна дебата. Американскиот Национален Институт за медицина на трудот на Безбедност и Здравје (NIOSH) и други американски владини агенции не сметаат дека EMFs има здравствени опасности. NIOSH има издадено некои предупредувања но нагласува дека податоците во моментов се премногу ограничени за да се подготви добра заклучоци.

Потенцијалните ефекти од електромагнетните полиња врз здравјето на човекот широко варира во зависност од честотата и интензитетот на полиња. За повеќе информации за здравствени ефекти, како резултат на одредени делови од електромагнетниот спектар, погледнете ги следниве статии:

• Статички електрични полиња: види Електричен шок
• Статички магнетни полиња: погледнете СКЕНОВИТЕ#Безбедност
• Исклучително ниска честота (ELF): види Моќ линии#Здравствени проблеми
• Радиочестота (RF): види Електромагнетното зрачење и здравјето
• Мобилна телефонија: видете Мобилен телефон зрачење и здравје
• Светлина: види Ласерски безбедност
• Ултравиолетови (УВ): види Изгореници
• Гама-зраците, видете Гама-зраци