Меню Главная Случайная статья Настройки Электромагнитное взаимодействие Материал из https://ru.wikipedia.org Электромагнитное взаимодействие или электромагнетизм — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Существует между частицами, обладающими электрическим зарядом[1]. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля[2]. С точки зрения квантовой теории поля[3] электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, но может взаимодействовать с другими фотонами путём обмена виртуальными электрон-позитронными парами. Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W±-бозоны. Остальные фундаментальные частицы Стандартной Модели (все типы нейтрино, бозон Хиггса и переносчики взаимодействий: калибровочный Z0-бозон, фотон, глюоны) электрически нейтральны. Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого[4] и сильного[5] взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой в космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов. В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой. Содержание 1 Свойства 2 Роль в природе 3 Теоретическое описание 3.1 Классическая электродинамика 3.1.1 Электростатика 3.1.2 Магнитостатика 3.1.3 Уравнения Максвелла 3.2 Квантовая электродинамика 4 История теории 5 См. также 6 Примечания 7 Литература Свойства В электромагнитном взаимодействии могут принимать участие только объекты, обладающие электрическим зарядом (в том числе и нейтральные в целом, но состоящие из заряженных частиц). Таковыми являются большинство известных фундаментальных элементарных частиц, в частности, все кварки, все заряженные лептоны (электрон, мюон и тау-лептон), а также заряженные калибровочные бозоны W±. По современным представлениям электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле, кванты которого — фотоны — являются переносчиками электромагнитного взаимодействия[6]. В отличие от слабого и сильного взаимодействий, электромагнитное взаимодействие так же, как и гравитационное, является дальнодействующим. В частности, сила притяжения неподвижных противоположно заряженных тел спадает на больших расстояниях степенным образом — по закону обратного квадрата (см. закон Кулона). Дальнодействие электромагнитных сил обусловлено отсутствием массы у фотонов как переносчиков этого взаимодействия[6]. В микромире интенсивность (эффективное сечение) электромагнитного взаимодействия характеризуется величиной постоянной тонкой структуры (в СГСЭ): ${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}\approx {\frac {1}{137}}}$, где ${\displaystyle e}$ — элементарный электрический заряд, ${\displaystyle \hbar }$ — постоянная Планка, ${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме. На уровне ядерных реакций по «силе» электромагнетизм занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействиями. Характерные времена распадов, вызванных электромагнитным взаимодействием, — около 1012 — 1020 с, в то время, как для сильного взаимодействия — порядка 1023 с, а для слабого — 103 — 1013 с. В качестве примера можно привести сравнение сечения рассеяния на протоне фотона с энергией 1 ГэВ и пиона с соответствующей полной энергией в системе центра масс. Для пиона, взаимодействие которого с протоном обусловлено сильным взаимодействием, сечение в 10 000 раз больше[6]. Электромагнитное взаимодействие сохраняет пространственную чётность (так называемую Р-чётность), зарядовую чётность (так называемую C-чётность), а также такие квантовые числа, как странность, очарование, красота. Это отличает электромагнетизм от слабого взаимодействия. Одновременно, в отличие от сильного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие в процессах с адронами не сохраняет изотопический спин (сопровождаясь испусканием фотона, он может меняться на ±1 или 0) и нарушает G-чётность[6]. Наличие законов сохранения с учётом свойств фотонов накладывает определённые правила отбора на процессы с участием электромагнитного взаимодействия. Например, поскольку спин фотона равен 1, запрещены излучательные переходы между состояниями с нулевым моментом импульса. Необходимость сохранять зарядовую чётность приводит к тому, что системы с положительной зарядовой чётностью распадаются с испусканием только чётного количества фотонов, а с отрицательной зарядовой чётностью — только нечётного. В частности, парапозитроний распадается на два фотона, а ортопозитроний — на три (см. позитроний)[6]. Роль в природе За счёт дальнодействия электромагнитное взаимодействие заметно проявляется как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Фактически, подавляющее большинство физических сил в классической механике — силы упругости, силы трения, силы поверхностного натяжения и т. д. — имеют электромагнитную природу[6]. Электромагнитное взаимодействие определяет большинство физических свойств макроскопических тел и, в частности, изменение этих свойств при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Электромагнитное взаимодействие лежит в основе химических превращений. Электрические, магнитные и оптические явления также сводятся к электромагнитному взаимодействию[6]. На микроскопическом уровне электромагнитное взаимодействие (с учётом квантовых эффектов) определяет структуру электронных оболочек атомов, структуру молекул, а также более крупных молекулярных комплексов и кластеров. В частности, величина элементарного электрического заряда определяет размеры атомов и длину связей в молекулах. Например, радиус Бора равен ${\displaystyle {{4\pi \varepsilon _{0}\hbar ^{2}} \over {m_{e}e^{2}}}}$, где ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — электрическая постоянная, ${\displaystyle \hbar }$ — постоянная Планка, ${\displaystyle m_{e}}$ — масса электрона, ${\displaystyle e}$ — элементарный электрический заряд[6]. Теоретическое описание Классическая электродинамика В большинстве случаев макроскопические электромагнитные процессы с необходимой степенью точности могут быть описаны в рамках классической электродинамики. В этом случае взаимодействующие объекты рассматриваются как совокупность материальных точек, характеризуемых помимо массы также и электрическим зарядом. При этом полагается, что взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля — отдельным видом материи, пронизывающим всё пространство. Электростатика рассматривает взаимодействие неподвижных заряженных тел. Основным законом электростатики является закон Кулона, устанавливающий связь между силой притяжения/отталкивания двух заряженных материальных точек, величиной их заряда и расстоянием между ними. В математической форме закон Кулона имеет вид[7]: ${\displaystyle {\vec {F}}_{12}=k{\frac {q_{1}q_{2}}{r_{12}^{3}}}{\vec {r}}_{12},}$ где ${\displaystyle {\vec {F}}_{12}}$ — сила, с которой частица 1 действует на частицу 2, ${\displaystyle q_{1,2}}$ — величины зарядов частиц 1 и 2 соответственно, ${\displaystyle {\vec {r}}_{12}}$ — радиус-вектор, проведённый из точки расположения частицы 1 в точку расположения частицы 2 (${\displaystyle r_{12}}$ — модуль этого вектора), ${\displaystyle k}$ — размерный коэффициент, значение которого зависит от используемой системы единиц, в СГС он равен 1, в СИ: ${\displaystyle k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}},}$ где ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — электрическая постоянная. В рамках электростатики величина электрического поля, создаваемого точечным зарядом, определяется выражением[7]: ${\displaystyle {\vec {E}}=k{\frac {q}{r^{3}}}{\vec {r}},}$ где ${\displaystyle {\vec {E}}}$ — напряжённость электрического поля в данной точке, ${\displaystyle q}$ — величина заряда частицы, создающей это поле, ${\displaystyle {\vec {r}}}$ — радиус-вектор, проведённый из точки расположения частицы в точку, где определяется поле (${\displaystyle r}$ — модуль этого вектора). Сила, действующая на заряженную частицу, помещённую в электрическое поле, определяется выражением: ${\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}},}$ где ${\displaystyle q}$ — величина электрического заряда частицы, ${\displaystyle {\vec {E}}}$ — векторная сумма напряжённостей электрических полей, созданных всеми частицами (за исключением рассматриваемой) в точке, где находится частица[7]. В случае, если заряд распределён в некотором объёме с плотностью ${\displaystyle \rho ({\vec {r}})}$, то электростатическое поле, создаваемое им, может быть найдено из электростатической теоремы Гаусса, имеющей в дифференциальной форме в системе СГС следующий вид[8]: ${\displaystyle \mathrm {div} {\vec {E}}=4\pi \rho .}$ В присутствии поляризуемой диэлектрической среды величина электрического поля, создаваемого свободными зарядами, изменяется из-за влияния связанных зарядов, входящих в состав среды. Это изменение во многих случаях может быть охарактеризовано посредством введения вектора поляризации среды ${\displaystyle {\vec {P}}}$ и вектора электрической индукции ${\displaystyle {\vec {D}}.}$ При этом выполняется следующее соотношение[9]: ${\displaystyle {\vec {D}}={\vec {E}}+4\pi {\vec {P}}.}$ Теорема Гаусса в этом случае записывается в виде[9]: ${\displaystyle \mathrm {div} {\vec {D}}=4\pi \rho ,}$ где под ${\displaystyle \rho }$ понимается плотность только свободных зарядов. В большинстве случаев рассматриваемые поля значительно слабее внутриатомных полей, поэтому справедлива линейная связь между вектором поляризации и напряжённостью электрического поля в данной точке. Для изотропных сред математически этот факт выражается следующим равенством[10]: ${\displaystyle {\vec {P}}=\alpha {\vec {E}},}$ где ${\displaystyle \alpha }$ — коэффициент, характеризующий поляризуемость данного диэлектрика при данных температуре и давлении. Аналогично, справедлива линейная связь между напряжённостью и индукцией[10]: ${\displaystyle {\vec {D}}=\varepsilon {\vec {E}},}$ где коэффициент ${\displaystyle \varepsilon =1+4\pi \alpha }$ носит название диэлектрической проницаемости[10]. С учётом поляризуемой среды приведённые выше формулы для силы электростатического взаимодействия и напряжённости электростатического поля принимают вид[11]: ${\displaystyle {\vec {F}}_{12}=k{\frac {q_{1}q_{2}}{\varepsilon r_{12}^{3}}}{\vec {r}}_{12},}$ ${\displaystyle {\vec {E}}=k{\frac {q}{\varepsilon r^{3}}}{\vec {r}}.}$ Магнитостатика изучает взаимодействие постоянных по величине и неподвижных в пространстве электрических токов, представляющих по своей сути поток заряженных частиц. В основе магнитостатики лежат закон Био — Савара — Лапласа и закон Ампера. Закон Био — Савара — Лапласа позволяет находить величину магнитного поля, создаваемого малым элементом тока. Если имеется линейный элемент тока длиною ${\displaystyle \mathrm {d} l,}$ сила тока в котором равна ${\displaystyle {\mathcal {I}},}$ то он создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, индукция которого определяется выражением[12]: ${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} B}}=k^{\prime }{\mathcal {I}}{\frac {\left[{\vec {\mathrm {d} l}}\times {\vec {r}}\right]}{r^{3}}},}$ где ${\displaystyle {\vec {r}}}$ — радиус-вектор, проведённый от точки расположения элемента тока до точки пространства, в которой определяется магнитное поле (${\displaystyle r}$ — модуль этого радиус-вектора), ${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} l}}}$ — вектор, длина которого равна ${\displaystyle \mathrm {d} l,}$ а направление совпадает с направлением тока ${\displaystyle {\mathcal {I}}}$ (считая, что направление тока определяется движением положительно заряженных частиц), ${\displaystyle k^{\prime }}$ — константа, зависящая от выбора системы единиц: в системе СИ ${\displaystyle k^{\prime }=\mu _{0}/4\pi }$ (${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная постоянная), в системе СГС ${\displaystyle k^{\prime }=1/c}$ (${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме). Знаком  в квадратных скобках здесь и ниже обозначается векторное произведение. Закон Ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле в данной точке действует на элемент тока[13]: ${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} F}}=k^{\prime \prime }{\mathcal {I}}\left[{\vec {\mathrm {d} l}}\times {\vec {B}}\right],}$ где ${\displaystyle {\vec {B}}}$ — величина магнитного поля в данной точке, равная векторной сумме магнитных полей, создаваемых всеми другими токами, ${\displaystyle k^{\prime \prime }}$ — коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц: в системе СИ он равен единице, в системе СГС — ${\displaystyle k^{\prime \prime }=1/c}$ (${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме). Закон Ампера является прямым следствием выражения для магнитной составляющей силы Лоренца — силы, с которой электромагнитное поле действует на заряженную частицу[14]: ${\displaystyle {\vec {F}}=k^{\prime \prime }q\left[{\vec {v}}\times {\vec {B}}\right],}$ где ${\displaystyle q}$ — заряд частицы, ${\displaystyle {\vec {v}}}$ — её скорость. Закон Био — Савара — Лапласа может быть переписан в виде для плотности тока ${\displaystyle {\vec {j}}}$[15]: ${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} B}}=k^{\prime }{\frac {\left[{\vec {j}}\times {\vec {r}}\right]}{r^{3}}}\mathrm {d} V,}$ где ${\displaystyle \mathrm {d} V}$ — объём элемента объёмного тока, создающего поле. Из этой формы закона Био — Савара — Лапласа можно вывести теорему о циркуляции магнитной индукции, которая в дифференциальной форме принимает вид[16]: ${\displaystyle \mathrm {rot} {\vec {B}}=4\pi k^{\prime }{\vec {j}}.}$ В присутствии магнитной среды (то есть среды, способной к намагничиванию) её влияние характеризуется векторами намагниченности среды ${\displaystyle {\vec {I}}}$ и напряжённости магнитного поля ${\displaystyle {\vec {H}}.}$ При этом справедлива связь: ${\displaystyle {\vec {H}}={\frac {\vec {B}}{\mu _{0}}}-{\vec {I}}}$ — в системе СИ[17], ${\displaystyle {\vec {H}}={\vec {B}}-4\pi {\vec {I}}}$ — в системе СГС[18]. В линейных изотропных средах справедлива простая связь между величиной намагниченности и приложенным магнитным полем (физически более правильным было бы связывать намагниченность с величиной магнитной индукции, однако по историческим причинам её выражают обычно через напряжённость магнитного поля — ввиду линейной связи между величинами ${\displaystyle {\vec {B}},}$ ${\displaystyle {\vec {H}}}$ и ${\displaystyle {\vec {I}}}$ принципиального значения это не имеет)[19][20]: ${\displaystyle {\vec {I}}=\kappa {\vec {H}},}$ где коэффициент ${\displaystyle \kappa }$ называется магнитной восприимчивостью среды. Часто оперируют также величиной магнитной проницаемости ${\displaystyle \mu ,}$ определяемой как: ${\displaystyle \mu =1+\kappa }$ — в системе СИ[20], ${\displaystyle \mu =1+4\pi \kappa }$ — в системе СГС[19]. В этом случае справедливы соотношения: ${\displaystyle {\vec {B}}=\mu \mu _{0}{\vec {H}}}$ — в системе СИ[20], ${\displaystyle {\vec {B}}=\mu {\vec {H}}}$ — в системе СГС[19]. Ферромагнетики являются принципиально нелинейными средами, в частности, они подвержены явлению гистерезиса, и поэтому простые соотношения, указанные выше, для них несправедливы. Теорема о циркуляции в магнитных средах принимает следующий вид[18]: ${\displaystyle \mathrm {rot} {\vec {H}}=4\pi k^{\prime }{\vec {j}}.}$ Квантовая электродинамика