электромагнетизм

История

До начала XIX века электричество и магнетизм считались независимыми. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что ток поворачивает магнитную стрелку, а Майкл Фарадей в 1831 году показал, что движущийся магнит создаёт ток в катушке. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл обобщил эти законы в систему уравнений, которые не только описали все известные явления, но и предсказали электромагнитные волны.

Как работает

Когда электроны в антенне колеблются, они создают вокруг себя изменяющиеся электрические и магнитные поля, которые, как круги на воде, расходятся в пространстве в виде электромагнитной волны. Глаз воспринимает высокочастотные волны как свет, а антенна улавливает радиочастоты как сигнал Wi-Fi.

История

До начала XIX века электричество и магнетизм считались независимыми. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что ток поворачивает магнитную стрелку, а Майкл Фарадей в 1831 году показал, что движущийся магнит создаёт ток в катушке. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл обобщил эти законы в систему уравнений, которые не только описали все известные явления, но и предсказали электромагнитные волны.

Как работает

Когда электроны в антенне колеблются, они создают вокруг себя изменяющиеся электрические и магнитные поля, которые, как круги на воде, расходятся в пространстве в виде электромагнитной волны. Глаз воспринимает высокочастотные волны как свет, а антенна улавливает радиочастоты как сигнал Wi-Fi.

История

Осознание связи электричества и магнетизма началось с опыта Х.К. Эрстеда (1820), показавшего, что ток вызывает отклонение магнитной стрелки. М. Фарадей в 1831 г. открыл электромагнитную индукцию — возникновение тока в контуре при изменении магнитного потока. Блестящий синтез осуществил Джеймс Клерк Максвелл: в 1861–64 гг. он сформулировал систему уравнений, добавив в закон Ампера «ток смещения» — член с производной электрического поля по времени, — что обеспечило непротиворечивость и предсказало волны. Существование волн экспериментально подтвердил Г. Герц в 1887 г. Хендрик Лоренц в 1895 г. ввёл силу Лоренца и создал электронную теорию, объяснив поведение зарядов на микроуровне. Квантовый этап завершился в середине XX века работами Р. Фейнмана, Дж. Швингера и С. Томонаги, построивших перенормируемую квантовую электродинамику.

Как работает

Электродинамика подчиняется принципу относительности и инвариантна относительно преобразований Лоренца. Из уравнений Максвелла следует волновое уравнение для полей. В квантовой электродинамике состояние системы описывается вектором в пространстве Фока, операторы рождения и уничтожения фотонов строятся из потенциалов, а взаимодействие с материей (фермионами) даётся лагранжианом взаимодействия eψ̄γ^μψA_μ (где e — заряд, ψ — дираковское поле, A_μ — электромагнитный потенциал). Процессы рассеяния вычисляются пертурбативно по постоянной тонкой структуры α ≈ 1/137 с помощью диаграмм Фейнмана. На малых расстояниях эффективный заряд растёт (эффект поляризации вакуума), что проверено с высокой точностью. Классический предел даёт силу Лоренца F = q(E + v × B), описывающую движение заряженных тел в полях.

Открытые проблемы и интересные факты

Отсутствие наблюдаемых магнитных монополей, хотя уравнения Максвелла их допускают.; Причина квантования электрического заряда: почему заряд всегда кратен элементарному заряду.; Совмещение квантовой электродинамики с общей теорией относительности для описания сильных гравитационных полей.

💡 Современные эксперименты проверяют закон Кулона на расстояниях вплоть до 10⁻¹⁸ м, и пока он не нарушается — обратно квадратичная зависимость соблюдается с фантастической точностью. Это один из наиболее точно проверенных законов физики.