Електромагнітне поле

Електромагнітне поле (також ЕМ-поле або ЕМП) — це класичне (тобто неквантове) поле, створене рухомими електричними зарядами .  

Електромагнітне поле
Є об'єднанням	^d
Електромагнітне поле у Вікісховищі

Загальні характеристики

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 .

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 ${\displaystyle \mathbf {E} }$, вектором електричної індукції ${\displaystyle \mathbf {D} }$, вектором магнітної індукції ${\displaystyle \mathbf {B} }$ й напруженістю магнітного поля ${\displaystyle \mathbf {H} }$.

У вакуумі

${\displaystyle \mathbf {D} =\mathbf {E} }$,

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} }$.

У середовищі ці співвідношення несправедливі через процеси поляризації та намагнічування. В загальному випадку

${\displaystyle \mathbf {D} =\mathbf {E} +4\pi \mathbf {P} }$,

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {I} }$,

де ${\displaystyle \mathbf {P} }$ — вектор поляризації, а ${\displaystyle \mathbf {I} }$ — 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:

${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E} }$,

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu \mathbf {H} }$,

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

${\displaystyle W={\frac {1}{8\pi }}\int (\mathbf {E} \cdot \mathbf {D} +\mathbf {B} \cdot \mathbf {H} )dV}$,

де інтегрування проводиться по всьому простору.

Зміна енергії електромагнітного поля з часом підпорядковується рівнянню неперервності

${\displaystyle {\frac {dW}{dt}}+{\text{div}}\,\mathbf {S} =0}$,

де ${\displaystyle \mathbf {S} }$ — 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 ${\displaystyle \hbar \omega }$.

Див. також

• Інваріанти електромагнітного поля
• Апарат з вихровим шаром феромагнітних елементів

Примітки

1. На цій сторінці формули записані з використанням природної для електромагнітного поля системи одиниць СГСГ. У системі SI одиниці для вимірювання різних векторних характеристик електромагнітного поля різні, й тому замість рівності векторів потрібно записувати їхню пропорційність.

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.