Редактирование: Электромагнитное взаимодействие

{{другое значение|Слово «[[Взаимодействие (значения)|Взаимодействие]]» имеет и другие значения.}}

'''Электромагни́тное взаимоде́йствие''' или '''электромагнетизм''' — одно из четырёх [[фундаментальные взаимодействия|фундаментальных взаимодействий]]. Существует между [[Элементарная частица|частицами]], обладающими [[электрический заряд|электрическим зарядом]]<ref>Электромагнитное взаимодействие существует и между частицами, электрически нейтральными в целом (то есть с нулевым полным электрическим зарядом), но содержащими составные части, которые несут заряд, так что взаимодействие не сводится к нулю, хотя и быстро убывает с расстоянием. Например, [[нейтрон]] — нейтральная частица, однако он содержит в своём составе заряженные [[кварк]]и и поэтому участвует в электромагнитном взаимодействии (в частности, обладает ненулевым [[магнитный момент|магнитным моментом]]).</ref>. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля<ref name="Викитека МСЭ2">«''[[s:МСЭ2/Электромагнетизм|Электромагнетизм]]''» — статья в [[Малая советская энциклопедия|Малой советской энциклопедии]]; 2 издание; 1937—1947 гг.</ref>.

С точки зрения [[квантовая теория поля|квантовой теории поля]]<ref>Раздел квантовой теории поля, описывающий электромагнитное взаимодействие, носит название [[квантовая электродинамика|квантовой электродинамики]]. Это образцовый, наиболее хорошо разработанный и поддающийся расчёту раздел квантовой теории поля, и вообще одна из наиболее успешных и точных — в смысле экспериментального подтверждения — областей теоретической физики.</ref> электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым [[бозон]]ом — [[фотон]]ом (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: [[кварк]]и, [[электрон]], [[мюон]] и [[тау-лептон]] (из [[фермион]]ов), а также заряженные калибровочные [[W- и Z-бозоны|W<sup>±</sup>-бозоны]]. Остальные фундаментальные частицы [[Стандартная модель|Стандартной Модели]] (все типы [[нейтрино]], [[бозон Хиггса]] и переносчики взаимодействий: калибровочный [[W- и Z-бозоны|Z<sup>0</sup>-бозон]], фотон, глюоны) электрически нейтральны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от [[слабое взаимодействие|слабого]]<ref>Слабое взаимодействие быстро убывает из-за массивности его переносчиков — векторных [[W- и Z-бозоны|W- и Z-бозонов]].</ref> и [[сильное взаимодействие|сильного]]<ref>Сильное взаимодействие между кварками спадает с расстоянием ещё гораздо медленнее, а точнее, судя по всему, его сила вообще с расстоянием не спадает; однако все известные частицы, наблюдаемые в свободном состоянии, нейтральны в отношении «сильного заряда» — [[Цветовой заряд|цвета]] — так как или совсем не содержат кварков, или включают несколько кварков, сумма цветов которых равна нулю, поэтому в основном поле сильного взаимодействия — [[глюонное поле]] — сосредоточено между «цветными» кварками — внутри составной частицы, а его «остаточная часть», распространяющаяся вовне — очень мала и быстро спадает.</ref> 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 [[классическая электродинамика|классической электродинамикой]].

{{Таблица элементарных частиц|417}}

== Свойства ==
В электромагнитном взаимодействии могут принимать участие только объекты, обладающие [[Электрический заряд|электрическим зарядом]] (в том числе и нейтральные в целом, но состоящие из заряженных частиц). Таковыми являются большинство известных фундаментальных [[Элементарная частица|элементарных частиц]], в частности, все [[кварки]], все заряженные [[лептоны]] ([[электрон]], [[мюон]] и [[тау-лептон]]), а также заряженные [[калибровочные бозоны]] [[W- и Z-бозоны|W<sup>±</sup>]]. По современным представлениям электромагнитное взаимодействие осуществляется через [[электромагнитное поле]], [[квант]]ы которого — [[фотоны]] — являются переносчиками электромагнитного взаимодействия<ref name="fe" />.

В отличие от [[Слабое взаимодействие|слабого]] и [[Сильное взаимодействие|сильного взаимодействий]], электромагнитное взаимодействие так же, как и [[Гравитационное взаимодействие|гравитационное]], является дальнодействующим. В частности, сила притяжения неподвижных противоположно заряженных тел спадает на больших расстояниях степенным образом — по [[Закон обратных квадратов|закону обратного квадрата]] (см. [[закон Кулона]]). Дальнодействие электромагнитных сил обусловлено отсутствием [[Масса|массы]] у фотонов как переносчиков этого взаимодействия<ref name="fe" />.

В микромире интенсивность ([[Эффективное сечение взаимодействия|эффективное сечение]]) электромагнитного взаимодействия характеризуется величиной [[Постоянная тонкой структуры|постоянной тонкой структуры]] (в СГСЭ):
: <math>\alpha = \frac{e^2}{\hbar c} \approx \frac{1}{137}</math>,
где <math>e</math> — [[элементарный электрический заряд]], <math>\hbar</math> — [[постоянная Планка]], <math>c</math> — [[скорость света в вакууме]]. На уровне ядерных реакций по «силе» электромагнетизм занимает промежуточное положение между [[Сильное взаимодействие|сильным]] и [[Слабое взаимодействие|слабым взаимодействиями]]. Характерные времена распадов, вызванных электромагнитным взаимодействием, — около 10<sup>−12</sup> — 10<sup>−20</sup> с, в то время, как для сильного взаимодействия — порядка 10<sup>−23</sup> с, а для слабого — 10<sup>3</sup> — 10<sup>−13</sup> с. В качестве примера можно привести сравнение сечения рассеяния на [[протон]]е фотона с энергией 1 ГэВ и [[Пион (частица)|пиона]] с соответствующей полной энергией в [[Система центра масс|системе центра масс]]. Для пиона, взаимодействие которого с протоном обусловлено сильным взаимодействием, сечение в {{formatnum:10000}} раз больше<ref name="fe" />.

Электромагнитное взаимодействие сохраняет пространственную [[Чётность (физика)|чётность]] (так называемую ''Р''-чётность), [[Зарядовое сопряжение|зарядовую чётность]] (так называемую ''C''-чётность), а также такие [[Квантовое число|квантовые числа]], как [[странность]], [[Очарование (квантовое число)|очарование]], [[Красота (квантовое число)|красота]]. Это отличает электромагнетизм от слабого взаимодействия. Одновременно, в отличие от сильного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие в процессах с [[адрон]]ами не сохраняет [[изотопический спин]] (сопровождаясь испусканием фотона, он может меняться на ±1 или 0) и нарушает [[G-чётность|''G''-чётность]]<ref name="fe" />.

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 [[Момент импульса|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, [[Позитроний|парапозитроний]] распадается на два фотона, а [[Позитроний|ортопозитроний]] — на три (см. [[позитроний]])<ref name="fe" />.

== Роль в природе ==
За счёт дальнодействия электромагнитное взаимодействие заметно проявляется как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Фактически, подавляющее большинство [[Сила|физических сил]] в [[Классическая механика|классической механике]] — [[Сила упругости|силы упругости]], [[Трение|силы трения]], силы [[Поверхностное натяжение|поверхностного натяжения]] и т. д. — имеют электромагнитную природу<ref name="fe" />.

Электромагнитное взаимодействие определяет большинство [[Физические свойства|физических свойств]] макроскопических тел и, в частности, изменение этих свойств при переходе из одного [[Агрегатное состояние|агрегатного состояния]] в другое. Электромагнитное взаимодействие лежит в основе [[Химическая реакция|химических превращений]]. [[Электричество|Электрические]], [[Магнетизм|магнитные]] и [[Оптика|оптические явления]] также сводятся к электромагнитному взаимодействию<ref name="fe" />.

На микроскопическом уровне электромагнитное взаимодействие (с учётом квантовых эффектов) определяет структуру [[Атомная орбиталь|электронных оболочек]] [[атом]]ов, структуру [[Молекула|молекул]], а также более крупных молекулярных комплексов и кластеров. В частности, величина [[Элементарный электрический заряд|элементарного электрического заряда]] определяет размеры атомов и длину связей в молекулах. Например, [[радиус Бора]] равен <math>{{4\pi\varepsilon_0\hbar^2} \over {m_e e^2}}</math>, где <math>\varepsilon_0</math> — [[электрическая постоянная]], <math>\hbar</math> — [[постоянная Планка]], <math>m_e</math> — масса [[электрон]]а, <math>e</math> — элементарный электрический заряд<ref name="fe" />.

== Теоретическое описание ==

=== Классическая электродинамика ===
{{main|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 [[Материальная точка|материальных точек]], характеризуемых помимо массы также и [[Электрический заряд|электрическим зарядом]]. При этом полагается, что взаимодействие осуществляется посредством [[Электромагнитное поле|электромагнитного поля]] — отдельным видом [[Материя (физика)|материи]], пронизывающим всё [[Пространство (физика)|пространство]].

==== Электростатика ====
{{main|Электростатика}}
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<ref name="siv20">{{Сивухин|3|1977|часть=§ 3. Закон Кулона. Принцип суперпозиции электростатических полей|страницы=20}}</ref>:
: <math>\vec F_{12} = k\frac{q_1 q_2}{r_{12}^3}\vec r_{12},</math>
где <math>\vec F_{12}</math> — [[сила]], с которой частица 1 действует на частицу 2, <math>q_{1,2}</math> — величины зарядов частиц 1 и 2 соответственно, <math>\vec r_{12}</math> — [[радиус-вектор]], проведённый из точки расположения частицы 1 в точку расположения частицы 2 (<math>r_{12}</math> — модуль этого вектора), <math>k</math> — размерный коэффициент, значение которого зависит от используемой [[Единицы измерения|системы единиц]], в [[СГС]] он равен 1, в [[СИ]]:
: <math>k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0},</math>
где <math>\varepsilon_0</math> — [[электрическая постоянная]].

В рамках электростатики величина [[Электрическое поле|электрического поля]], создаваемого точечным зарядом, определяется выражением<ref name="siv20" />:
: <math>\vec E = k\frac{q}{r^3}\vec r,</math>
где <math>\vec E</math> — [[напряжённость электрического поля]] в данной точке, <math>q</math> — величина заряда частицы, создающей это поле, <math>\vec r</math> — [[радиус-вектор]], проведённый из точки расположения частицы в точку, где определяется поле (<math>r</math> — модуль этого вектора).

Сила, действующая на заряженную частицу, помещённую в электрическое поле, определяется выражением:
: <math>\vec F = q\vec E,</math>
где <math>q</math> — величина электрического заряда частицы, <math>\vec E</math> — [[векторная сумма]] напряжённостей электрических полей, созданных всеми частицами (за исключением рассматриваемой) в точке, где находится частица<ref name="siv20" />.

В случае, если заряд распределён в некотором объёме с плотностью <math>\rho (\vec r)</math>, то электростатическое поле, создаваемое им, может быть найдено из [[Теорема Гаусса|электростатической теоремы Гаусса]], имеющей в дифференциальной форме в системе СГС следующий вид<ref>{{Сивухин|3|1977|часть=§ 7. Дифференциальная форма электростатической теоремы Гаусса|страницы=41}}</ref>:
: <math>\mathrm{div} \vec E = 4\pi\rho.</math>

В присутствии [[Поляризуемость|поляризуемой]] [[Диэлектрик|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 [[Вектор электрической поляризации|вектора поляризации]] среды <math>\vec P</math> и [[Электрическая индукция|вектора электрической индукции]] <math>\vec D.</math> При этом выполняется следующее соотношение<ref name="siv60">{{Сивухин|3|1977|часть=§ 13. Теорема Гаусса для диэлектриков|страницы=60}}</ref>:
: <math>\vec D = \vec E + 4\pi\vec P.</math>
Теорема Гаусса в этом случае записывается в виде<ref name="siv60" />:
: <math>\mathrm{div} \vec D = 4\pi\rho,</math>
где под <math>\rho</math> 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<ref name="siv66">{{Сивухин|3|1977|часть=§ 15. Поляризуемость и диэлектрическая поляризация|страницы=66—67}}</ref>:
: <math>\vec P = \alpha \vec E,</math>
где <math>\alpha</math> — коэффициент, характеризующий [[поляризуемость]] данного диэлектрика при данных [[Температура|температуре]] и [[Давление|давлении]]. Аналогично, справедлива линейная связь между напряжённостью и индукцией<ref name="siv66" />:
: <math>\vec D = \varepsilon \vec E,</math>
где коэффициент <math>\varepsilon = 1 + 4\pi\alpha</math> носит название [[Диэлектрическая проницаемость|диэлектрической проницаемости]]<ref name="siv66" />.

С учётом поляризуемой среды приведённые выше формулы для силы электростатического взаимодействия и напряжённости электростатического поля принимают вид<ref>{{Савельев|2|1970|часть=§ 18. Силы, действующие на заряд в диэлектрике|страницы=73}}</ref>:
: <math>\vec F_{12} = k\frac{q_1 q_2}{\varepsilon r_{12}^3}\vec r_{12},</math>
: <math>\vec E = k\frac{q}{\varepsilon r^3}\vec r.</math>

==== Магнитостатика ====
{{main|Магнитостатика}}
Магнитостатика изучает взаимодействие постоянных по величине и неподвижных в пространстве [[Электрический ток|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 [[Магнитное поле|магнитного поля]], создаваемого малым элементом тока. Если имеется линейный элемент тока длиною <math>\mathrm{d}l,</math> [[сила тока]] в котором равна <math>\mathcal{I},</math> то он создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, [[Индукция магнитного поля|индукция]] которого определяется выражением<ref>{{Савельев|2|1970|часть=§ 40. Закон Био — Савара. Поле движущегося заряда|страницы=128—130}}</ref>:
: <math>\vec{\mathrm{d}B} = k^{\prime}\mathcal{I}\frac{\left[\vec{\mathrm{d}l}\times\vec r\right]}{r^3},</math>
где <math>\vec r</math> — [[радиус-вектор]], проведённый от точки расположения элемента тока до точки пространства, в которой определяется магнитное поле (<math>r</math> — модуль этого радиус-вектора), <math>\vec{\mathrm{d}l}</math> — вектор, длина которого равна <math>\mathrm{d}l,</math> а направление совпадает с направлением тока <math>\mathcal{I}</math> (считая, что направление тока определяется движением положительно заряженных частиц), <math>k^{\prime}</math> — константа, зависящая от выбора системы единиц: в системе [[СИ]] <math>k^{\prime} = \mu_0/4\pi</math> (<math>\mu_0</math> — [[магнитная постоянная]]), в системе [[СГС]] <math>k^{\prime} = 1/c</math> (<math>c</math> — [[скорость света в вакууме]]). Знаком × в квадратных скобках здесь и ниже обозначается [[векторное произведение]].

Закон Ампера определяет величину [[Сила|силы]], с которой магнитное поле в данной точке действует на элемент тока<ref>{{Савельев|2|1970|часть=§ 46. Сила, действующая на ток в магнитном поле. Закон Ампера|страницы=156—157}}</ref>:
: <math>\vec{\mathrm{d}F} = k^{\prime\prime}\mathcal{I}\left[\vec{\mathrm{d}l}\times\vec B\right],</math>
где <math>\vec B</math> — величина магнитного поля в данной точке, равная векторной сумме магнитных полей, создаваемых всеми другими токами, <math>k^{\prime\prime}</math> — коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц: в системе СИ он равен единице, в системе СГС — <math>k^{\prime\prime} = 1/c</math> (<math>c</math> — [[скорость света в вакууме]]).

Закон Ампера является прямым следствием выражения для магнитной составляющей [[Сила Лоренца|силы Лоренца]] — силы, с которой электромагнитное поле действует на заряженную частицу<ref>{{Савельев|2|1970|часть=§ 47. Сила Лоренца|страницы=158—159}}</ref>:
: <math>\vec F = k^{\prime\prime}q\left[\vec v\times\vec B\right],</math>
где <math>q</math> — заряд частицы, <math>\vec v</math> — её скорость.

Закон Био — Савара — Лапласа может быть переписан в виде для [[Плотность тока|плотности тока]] <math>\vec j</math><ref>{{Сивухин|3||часть=§ 50. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био и Савара|страницы=220}}</ref>:
: <math>\vec{\mathrm{d}B} = k^{\prime}\frac{\left[\vec j\times\vec r\right]}{r^3}\mathrm{d}V,</math>
где <math>\mathrm{d}V</math> — [[объём]] элемента объёмного тока, создающего поле. Из этой формы закона Био — Савара — Лапласа можно вывести [[Теорема о циркуляции магнитного поля|теорему о циркуляции магнитной индукции]], которая в дифференциальной форме принимает вид<ref>{{Сивухин|3||часть=§ 56. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции|страницы=239}}</ref>:
: <math>\mathrm{rot}\vec B = 4\pi k^{\prime}\vec j.</math>

В присутствии магнитной среды (то есть среды, способной к [[Намагниченность|намагничиванию]]) её влияние характеризуется векторами [[Намагниченность|намагниченности]] среды <math>\vec I</math> и [[Напряжённость магнитного поля|напряжённости магнитного поля]] <math>\vec H.</math> При этом справедлива связь:
: <math>\vec H = \frac{\vec B}{\mu_0} - \vec I</math> — в системе СИ<ref>{{Савельев|2|1970|часть=§ 44. Описание поля в магнетиках|страницы=145}}</ref>,
: <math>\vec H = \vec B - 4\pi\vec I</math> — в системе СГС<ref name="siv253">{{Сивухин|3||часть=§ 59. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе|страницы=253}}</ref>.

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 <math>\vec B,</math> <math>\vec H</math> и <math>\vec I</math> принципиального значения это не имеет)<ref name="siv256">{{Сивухин|3||часть=§ 61. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость|страницы=256}}</ref><ref name="sav147">{{Савельев|2|1970|часть=§ 44. Описание поля в магнетиках|страницы=147—148}}</ref>:
: <math>\vec I = \kappa \vec H,</math>
где коэффициент <math>\kappa</math> называется [[Магнитная восприимчивость|магнитной восприимчивостью]] среды. Часто оперируют также величиной [[Магнитная проницаемость|магнитной проницаемости]] <math>\mu,</math> определяемой как:
: <math>\mu = 1 + \kappa</math> — в системе СИ<ref name="sav147" />,
: <math>\mu = 1 + 4\pi\kappa</math> — в системе СГС<ref name="siv256" />.
В этом случае справедливы соотношения:
: <math>\vec B = \mu\mu_0\vec H</math> — в системе СИ<ref name="sav147" />,
: <math>\vec B = \mu\vec H</math> — в системе СГС<ref name="siv256" />.
[[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<ref name="siv253" />:
: <math>\mathrm{rot}\vec H = 4\pi k^{\prime}\vec j.</math>

==== Уравнения Максвелла ====
{{main|Уравнения Максвелла}}
{{заготовка раздела}}

=== Квантовая электродинамика ===
{{main|Квантовая электродинамика}}
{{заготовка раздела}}

== История теории ==
[[Файл:Ørsted.jpg|thumb|140px|[[Эрстед, Ханс Кристиан|Ханс Кристиан Эрстед]]]]
Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймса Максвелла]] «Трактат по электричеству и магнетизму», в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекта, следующие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:
# Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
# Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) привлекают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда идут парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного.
# Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг провода, направленное (по или против часовой стрелки) в зависимости от течения тока.
# Ток индуцируется в петле провода, когда он сдвигается ближе или дальше относительно магнитного поля или магнит перемещается ближе или дальше от петли провода; направление тока зависит от направления этих перемещений.
[[Файл:Andre-marie-ampere2.jpg|thumb|140px|left|[[Андре-Мари Ампер]]]]
Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, [[Ханс Кристиан Эрстед]] сделал удивительное наблюдение. Когда он занимался подборкой материала, то заметил, что стрелка [[компас]]а отклоняется от [[северный магнитный полюс|северного магнитного полюса]], когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля исходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяются в пространстве свет и тепло, и что опыт указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.
[[Файл:SS-faraday.jpg|thumb|140px|[[Фарадей, Майкл|Майкл Фарадей]]]]
На момент открытия Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался представить явление в математических выкладках. Однако, три месяца спустя, он стал проводить более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал результаты своих исследований, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течёт по проводам. В системе [[СГС]] единицу [[Электромагнитная индукция|электромагнитной индукции]] ('''[[Эрстед (единица измерения)|Э]]''') назвали в честь его вклада в область электромагнетизма.
[[Файл:James-clerk-maxwell3.jpg|thumb|left|140px|Джеймс Клерк Максвелл]]
Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию [[Электродинамика|электродинамики]] мировым научным сообществом. К 1820 году относятся также работы [[Араго, Доминик Франсуа|Доминика Франсуа Араго]], который заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе [[железные опилки]]. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив её в катушку и разрядив [[Лейденская банка|лейденскую банку]] через катушку. Независимо от Араго намагничивание стали и железа током было открыто [[Дэви, Гемфри|Дэви]]. Первые количественные определения действия тока на магнит точно так же относятся к 1820 году и принадлежат французским учёным [[Био, Жан-Батист|Жан-Батисту Био]] и [[Савар, Феликс|Феликсу Савару]]<ref name="ЭСБЕ-ЭМ">{{ВТ-ЭСБЕ|Электромагнетизм}}</ref>. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика [[Ампер, Андре-Мари|Андре-Мари Ампера]], представившего электромагнитную закономерность между проводником и током в математической форме. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции поля.

Это единство, которое было обнаружено [[Фарадей, Майкл|Майклом Фарадеем]], дополнено [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймсом Максвеллом]], а также уточнено [[Хевисайд, Оливер|Оливером Хевисайдом]] и [[Герц, Генрих|Генрихом Герцем]], является одним из ключевых достижений XIX столетия в [[математическая физика|математической физике]]. У этого открытия были далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы [[свет]]а. Свет и другие [[электромагнитное излучение|электромагнитные волны]] принимают форму [[Квантование (физика)|квантованных]] самораспространяющихся [[колебание|колебательных]] явлений электромагнитного поля, названных [[фотон]]ами. Различные [[частота|частоты]] колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от [[Радиоизлучение|радиоволн]] на низких частотах, к видимому свету на средних частотах, к [[Гамма-излучение|гамма-лучам]] на высоких частотах.

Эрстед не был единственным человеком, открывшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году [[Романьози, Джованни Доменико|Джованни Доменико Романьози]], итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но фактически в исследованиях Романьози не применялся [[гальванический элемент]] и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчёт об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был почти не замечен научным сообществом того времени<ref>{{ref-en}} {{книга |заглавие=Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times |часть=Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity |том=vol. 3 |ответственный=Fabio Bevilacqua and Lucio Fregonese (eds) |издательство=Università degli Studi di Pavia |страницы=81—102 |ссылка=http://ppp.unipv.it/collana/pages/libri/saggi/nuova%20voltiana3_pdf/cap4/4.pdf |язык=et |автор=Martins, Roberto de Andrade |archive-date=2013-05-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130530200951/http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Nuova%20Voltiana3_PDF/cap4/4.pdf }}</ref>.

== См. также ==
* [[Электромагнитные колебания]]
* [[Теория всего]]

== Примечания ==
{{Примечания|refs=
<ref name="fe">
{{Книга:Физическая энциклопедия|5|автор=А. А. Комар, А. И. Лебедев.|статья=Электромагнитное взаимодействие|ссылка=http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4664.html|страницы=540—542}}
</ref>
}}

== Литература ==
* {{ВТ-ЭСБЕ|Электромагнетизм|[[Баумгарт, Карл Карлович|Баумгарт К. К.]]}}
* {{книга|автор=Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.|заглавие=[[Курс теоретической физики Ландау и Лифшица|Краткий курс теоретической физики]]. В 2-х т|место=М.|издательство=Наука|год=1972|том=II. Квантовая механика|страниц=368}}

{{BC}}{{Фундаментальные взаимодействия}}{{rq|sources|refless}}

[[Категория:Фундаментальные взаимодействия]]
[[Категория:Электромагнетизм]]
[[Категория:Стандартная модель]]
@@ Строка 120: / Строка 120: @@
 == История теории ==
 [[Файл:Ørsted.jpg|thumb|140px|[[Эрстед, Ханс Кристиан|Ханс Кристиан Эрстед]]]]
+Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймса Максвелла]] «Трактат по электричеству и магнетизму», в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекта, следующие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:
-Античные представления об электричестве и магнетизме
+# Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
+# Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) привлекают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда идут парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного.
-Первые упоминания об электрических и магнитных явлениях встречаются еще в трудах древнегреческих ученых VI-III веков до нашей эры. Так, Фалес Милетский в VI веке до н.э. обратил внимание на способность натертого янтаря притягивать легкие предметы. Он связывал это явление с особым "электрическим духом", заключенным в янтаре. В V веке до н.э. Демокрит выдвинул предположение, что частицы, составляющие магнит, имеют определенную ориентацию, позволяющую им притягиваться друг к другу. Аристотель в IV веке до н.э. описал способность магнита притягивать железные предметы и предложил считать магнетизм особым "качеством" материи.
+# Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг провода, направленное (по или против часовой стрелки) в зависимости от течения тока.
+# Ток индуцируется в петле провода, когда он сдвигается ближе или дальше относительно магнитного поля или магнит перемещается ближе или дальше от петли провода; направление тока зависит от направления этих перемещений.
-Несмотря на первоначальные наблюдения, в античный период электрические и магнитные явления рассматривались лишь как курьезные свойства некоторых природных материалов. Систематическое изучение электричества и магнетизма началось значительно позже.
-Развитие электростатики и гальванизма
-Существенный прогресс в изучении электрических явлений был достигнут в XVII-XVIII веках. В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт опубликовал трактат "О магните", в котором впервые ввел термин "электрический" для обозначения притягательных свойств натертого янтаря. Он также установил, что Земля сама является огромным магнитом.
-В 1729 году английский физик Стивен Грей провел серию экспериментов, показавших, что электрический заряд может передаваться по проводникам на значительные расстояния. Его опыты положили начало развитию науки об электростатике. В 1733 году немецкий ученый Георг Вильгельм Рихман предложил шкалу для измерения величины электрического заряда.
-В 1745 году немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский ученый Питер Ван Мушенбрук независимо друг от друга изобрели "лейденскую банку" - первый конденсатор, способный накапливать и хранить электрические заряды. Это устройство позволило проводить более точные исследования электрических явлений.
-Параллельно с развитием электростатики в XVIII веке происходило становление гальванизма - учения об электрохимических процессах. В 1786 году итальянский врач Луиджи Гальвани обнаружил, что сокращение мышц лягушки можно вызвать при соприкосновении с различными металлами. Эти эксперименты легли в основу представлений об "животном электричестве".  Вольта в 1800 году построил первый в мире гальванический элемент - прообраз современной электрической батареи.
-Открытие электромагнитной индукции
-Существенный прорыв в понимании взаимосвязи электрических и магнитных явлений произошел в 1820-х годах. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение магнитной стрелки. Это было первое экспериментальное доказательство связи между электричеством и магнетизмом.
-Открытие Эрстеда вдохновило других ученых на дальнейшие исследования. В 1825 году французский физик Андре-Мари Ампер сформулировал законы взаимодействия проводников с электрическим током, доказав, что электрические токи создают вокруг себя магнитные поля. Ампер также выдвинул гипотезу о том, что магнетизм обусловлен движением электрических зарядов внутри вещества.
 [[Файл:Andre-marie-ampere2.jpg|thumb|140px|left|[[Андре-Мари Ампер]]]]
+Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, [[Ханс Кристиан Эрстед]] сделал удивительное наблюдение. Когда он занимался подборкой материала, то заметил, что стрелка [[компас]]а отклоняется от [[северный магнитный полюс|северного магнитного полюса]], когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля исходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяются в пространстве свет и тепло, и что опыт указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.
-Ключевым событием стало открытие электромагнитной индукции английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей установил, что изменение магнитного поля вызывает возникновение электрического тока в проводнике, помещенном в это поле. Это явление легло в основу принципа работы генераторов, трансформаторов и многих других электрических устройств.
 [[Файл:SS-faraday.jpg|thumb|140px|[[Фарадей, Майкл|Майкл Фарадей]]]]
+На момент открытия Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался представить явление в математических выкладках. Однако, три месяца спустя, он стал проводить более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал результаты своих исследований, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течёт по проводам. В системе [[СГС]] единицу [[Электромагнитная индукция|электромагнитной индукции]] ('''[[Эрстед (единица измерения)|Э]]''') назвали в честь его вклада в область электромагнетизма.
+[[Файл:James-clerk-maxwell3.jpg|thumb|left|140px|Джеймс Клерк Максвелл]]
+Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию [[Электродинамика|электродинамики]] мировым научным сообществом. К 1820 году относятся также работы [[Араго, Доминик Франсуа|Доминика Франсуа Араго]], который заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе [[железные опилки]]. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив её в катушку и разрядив [[Лейденская банка|лейденскую банку]] через катушку. Независимо от Араго намагничивание стали и железа током было открыто [[Дэви, Гемфри|Дэви]]. Первые количественные определения действия тока на магнит точно так же относятся к 1820 году и принадлежат французским учёным [[Био, Жан-Батист|Жан-Батисту Био]] и [[Савар, Феликс|Феликсу Савару]]<ref name="ЭСБЕ-ЭМ">{{ВТ-ЭСБЕ|Электромагнетизм}}</ref>. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика [[Ампер, Андре-Мари|Андре-Мари Ампера]], представившего электромагнитную закономерность между проводником и током в математической форме. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции поля.
+Это единство, которое было обнаружено [[Фарадей, Майкл|Майклом Фарадеем]], дополнено [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймсом Максвеллом]], а также уточнено [[Хевисайд, Оливер|Оливером Хевисайдом]] и [[Герц, Генрих|Генрихом Герцем]], является одним из ключевых достижений XIX столетия в [[математическая физика|математической физике]]. У этого открытия были далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы [[свет]]а. Свет и другие [[электромагнитное излучение|электромагнитные волны]] принимают форму [[Квантование (физика)|квантованных]] самораспространяющихся [[колебание|колебательных]] явлений электромагнитного поля, названных [[фотон]]ами. Различные [[частота|частоты]] колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от [[Радиоизлучение|радиоволн]] на низких частотах, к видимому свету на средних частотах, к [[Гамма-излучение|гамма-лучам]] на высоких частотах.
-Развитие классической электродинамики
-Теоретическое обобщение электрических, магнитных и индукционных явлений было сделано британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. Он тщательно изучил работы предшественников - Фарадея, Ампера, Кулона и других пионеров электромагнетизма и сформулировал фундаментальные уравнения электромагнетизма, описывающие взаимосвязь электрических и магнитных полей. В 1865 году Максвелл опубликовал свою знаменитую статью "Динамическая теория электромагнитного поля", в которой предпринял первую попытку единого теоретического описания электрических, магнитных и оптических явлений. Он представил электромагнетизм как единое целое, основанное на концепции электромагнитного поля. В 1873 году Максвелл завершил работу над фундаментальным трудом "Трактат об электричестве и магнетизме". В этой книге он сформулировал систему уравнений, описывающих взаимосвязь электрических и магнитных полей. Эти уравнения, ныне известные как уравнения Максвелла, являются математической основой классической электродинамики. Максвелл также  в 1864 году предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. После тщательного анализа своих уравнений им было выведено, что скорость распространения этих волн равна скорости света, что позволило ему сделать вывод о том, что свет является разновидностью электромагнитных волн.
-Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн было получено в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем. Он смог генерировать, излучать и принимать электромагнитные волны в лабораторных условиях, открыв тем самым новую главу в истории физики.
-Открытие Герца стало отправной точкой для создания радиотехники. В 1895 году российский физик Александр Попов продемонстрировал первую в мире систему радиосвязи. Вскоре после этого итальянский инженер Гульельмо Маркони изобрел первый коммерческий радиотелеграф.
-Развитие классической электродинамики Максвелла-Герца в конце XIX века завершило формирование электромагнетизма как фундаментальной физической теории, объединившей электрические, магнитные и оптические явления.
-Открытия в квантовой электродинамике
-В начале XX века успехи классической электродинамики были дополнены революционными открытиями в области квантовой механики. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, постулировав существование квантов света - фотонов. Это положило начало становлению квантовой электродинамики.
-В 1927 году советский физик Петр Капица обнаружил явление сверхтекучести жидкого гелия, открыв новое квантовое состояние вещества. В 1947 году американские физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели первый полупроводниковый транзистор, заложив основы современной микроэлектроники.
-Дальнейшее развитие квантовой электродинамики в 1940-1950-х годах связано с работами Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера и Синъитиро Томонаги. Ими была создана последовательная теория взаимодействия электромагнитного поля с заряженными частицами, учитывающая квантовые эффекты.
-Современные достижения и перспективы
-Современная квантовая электродинамика является одной из наиболее точных физических теорий. Она позволяет с высокой точностью предсказывать и описывать широкий спектр электромагнитных явлений - от элементарных взаимодействий на субатомном уровне до сложных процессов в космических масштабах.
+Эрстед не был единственным человеком, открывшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году [[Романьози, Джованни Доменико|Джованни Доменико Романьози]], итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но фактически в исследованиях Романьози не применялся [[гальванический элемент]] и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчёт об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был почти не замечен научным сообществом того времени<ref>{{ref-en}} {{книга |заглавие=Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times |часть=Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity |том=vol. 3 |ответственный=Fabio Bevilacqua and Lucio Fregonese (eds) |издательство=Università degli Studi di Pavia |страницы=81—102 |ссылка=http://ppp.unipv.it/collana/pages/libri/saggi/nuova%20voltiana3_pdf/cap4/4.pdf |язык=et |автор=Martins, Roberto de Andrade |archive-date=2013-05-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130530200951/http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Nuova%20Voltiana3_PDF/cap4/4.pdf }}</ref>.
-Знания в области электромагнетизма находят применение в самых разных областях - от электроники и радиотехники до астрофизики и космонавтики. Дальнейшее развитие электромагнитной теории открывает новые возможности для создания высокотехнологичных устройств, совершенствования современных технологий и глубокого познания окружающего мира.
 == См. также ==