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

Електромагнітне поле
Зображення
Є об'єднанням див. список:d
CMNS: Електромагнітне поле у Вікісховищі

Загальні характеристики

ред.

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 сили Лоренца .

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

ред.

Електромагнітне поле характеризується векторними величинами напруженістю електричного поля  , вектором електричної індукції  , вектором магнітної індукції   й напруженістю магнітного поля  .

У вакуумі [1]

 ,
 .

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

 ,
 ,

де   — вектор поляризації, а   — 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:

 ,
 ,

де ε — діелектрична проникність середовища, μ — магнітна проникність середовища.

У теорії відносності електромагнітне поле описується 4-тензором електромагнітного поля.

Джерела електромагнітного поля

ред.

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

ред.

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

ред.

Електромагнітне поле може виконувати роботу з переміщення зарядів й обертання магнітних моментів, а отже має потенціальну енергію. Енергія електромагнітного поля W визначається формулою

 ,

де інтегрування проводиться по всьому простору.

Зміна енергії електромагнітного поля з часом підпорядковується рівнянню неперервності

 ,

де   — вектор Пойнтінга, що описує потік електромагнітного поля.

Розповсюдження в просторі

ред.

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

ред.

Носіями електромагнітного поля є фотони — елементарні частки із нульовою масою спокою.

Електромагнітні хвилі випромінюються й поглинаються квантами із енергією  .

Див. також

ред.

Примітки

ред.
  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

ред.
  • 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.