Электромагнитное поле - Electromagnetic field

Электромагнитное поле (также электромагнитного поля ) является классическим (т.е. неквантовая) поля производится за счет ускорения электрических зарядов . Это поле, описываемое классической электродинамикой, является классическим аналогом квантованного тензора электромагнитного поля в квантовой электродинамике . Электромагнитное поле распространяется со скоростью света (фактически, это поле можно идентифицировать как свет) и взаимодействует с зарядами и токами. Его квантовый аналог - одна из четырех фундаментальных сил природы (другие - это гравитация , слабое взаимодействие и сильное взаимодействие ).

Поле можно рассматривать как комбинацию электрического и магнитного полей . Электрическое поле создается неподвижными зарядами, а магнитное поле - движущимися зарядами (токами); эти два часто описываются как источники поля. Способ взаимодействия зарядов и токов с электромагнитным полем описывается уравнениями Максвелла и законом силы Лоренца . Сила, создаваемая электрическим полем, намного сильнее, чем сила, создаваемая магнитным полем.

С классической точки зрения истории электромагнетизма , электромагнитное поле можно рассматривать как гладкое, непрерывное поле, распространяющееся волнообразно. Напротив, с точки зрения квантовой теории поля это поле рассматривается как квантованное; это означает, что свободное квантовое поле (т.е. невзаимодействующее поле) может быть выражено как сумма Фурье операторов рождения и уничтожения в пространстве энергии-импульса, в то время как эффекты взаимодействующего квантового поля могут быть проанализированы в теории возмущений через S-матрицу с помощь целого ряда математических технологий, таких как ряд Дайсона , теорема Вика , корреляционные функции , операторы временной эволюции , диаграммы Фейнмана и т. д. Обратите внимание, что квантованное поле все еще является пространственно непрерывным; однако его энергетические состояния дискретны (энергетические состояния поля не следует путать с его значениями энергии , которые являются непрерывными; операторы создания квантового поля создают несколько дискретных состояний энергии, называемых фотонами ).

Синусоидальная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль положительной оси z, показывает векторы электрического поля (синий) и магнитного поля (красный).

Состав

Электромагнитное поле можно рассматривать двумя разными способами: непрерывную структуру или дискретную структуру.

Непрерывная структура

Классически считается, что электрические и магнитные поля создаются плавными движениями заряженных объектов. Например, колеблющиеся заряды вызывают изменения электрических и магнитных полей, которые можно рассматривать «плавно», непрерывно, волнообразно. В этом случае энергия рассматривается как непрерывная передача через электромагнитное поле между любыми двумя точками. Например, атомы металла в радио передатчика , по всей видимости передавать энергию непрерывно. Этот вид в определенной степени полезен (излучение низкой частоты), однако проблемы обнаруживаются на высоких частотах (см. Ультрафиолетовая катастрофа ).

Дискретная структура

Электромагнитное поле можно рассматривать более «грубо». Эксперименты показывают, что в некоторых случаях передача электромагнитной энергии лучше описывается как переносимая в форме пакетов, называемых квантами, с фиксированной частотой . Соотношение Планка связывает энергию фотона E фотона с его частотой f через уравнение:

где h - постоянная Планка , а f - частота фотона. Хотя современная квантовая оптика говорит нам, что существует также полуклассическое объяснение фотоэлектрического эффекта - испускания электронов с металлических поверхностей, подверженных электромагнитному излучению, - фотон исторически (хотя и не обязательно) использовался для объяснения некоторых наблюдений. Обнаружено, что увеличение интенсивности падающего излучения (до тех пор, пока человек остается в линейном режиме) увеличивает только количество выброшенных электронов и практически не влияет на распределение энергии их выброса. Только частота излучения имеет отношение к энергии выброшенных электронов.

Эта квантовая картина электромагнитного поля (которая рассматривает его как аналог гармонических осцилляторов ) оказалась очень успешной, положив начало квантовой электродинамике , квантовой теории поля, описывающей взаимодействие электромагнитного излучения с заряженной материей. Это также дает начало квантовой оптике , которая отличается от квантовой электродинамики тем, что сама материя моделируется с использованием квантовой механики, а не квантовой теории поля.

Динамика

Раньше считалось , что электрически заряженные объекты создают два разных, несвязанных типа поля, связанных с их зарядовой способностью. Электрическое поле производится , когда заряд находится в неподвижном состоянии по отношению к наблюдателю измерения свойств заряда, а магнитное поле , а также электрическое поле создается при движении заряда, создавая электрический ток относительно этого наблюдателя. Со временем стало понятно, что электрическое и магнитное поля лучше рассматривать как две части большого целого - электромагнитного поля. До 1820 года, когда датский физик Х. Эрстед показал влияние электрического тока на стрелку компаса, электричество и магнетизм считались не связанными друг с другом явлениями. В 1831 году Майкл Фарадей сделал плодотворное наблюдение, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи, а затем, в 1864 году, Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою знаменитую статью « Динамическая теория электромагнитного поля ».

Как только это электромагнитное поле было создано из данного распределения заряда, другие заряженные или намагниченные объекты в этом поле могут испытывать силу. Если эти другие заряды и токи сопоставимы по размеру с источниками, производящими указанное выше электромагнитное поле, то будет создано новое чистое электромагнитное поле. Таким образом, электромагнитное поле можно рассматривать как динамическую сущность, которая заставляет перемещаться другие заряды и токи, и на которую они также влияют. Эти взаимодействия описываются уравнениями Максвелла и законом силы Лоренца . Это обсуждение игнорирует силу реакции излучения .

Обратная связь

Поведение электромагнитного поля можно разделить на четыре разные части петли:

  • электрические и магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами,
  • электрическое и магнитное поля взаимодействуют друг с другом,
  • электрические и магнитные поля создают силы на электрические заряды,
  • электрические заряды движутся в пространстве.

Распространенное заблуждение состоит в том, что (а) кванты полей действуют так же, как (б) заряженные частицы, такие как электроны, которые генерируют поля. В нашем повседневном мире электроны медленно проходят через проводники со скоростью дрейфа в доли сантиметра (или дюйма) в секунду и через вакуумную трубку со скоростью около 1 тысячи км / с, но поля распространяются со скоростью света , примерно 300 тысяч километров (или 186 тысяч миль) в секунду. Соотношение скоростей между заряженными частицами в проводнике и квантами поля составляет порядка одного к миллиону. Уравнения Максвелла связывают (а) наличие и движение заряженных частиц с (б) генерацией полей. Эти поля могут затем влиять на силу и затем перемещать другие медленно движущиеся заряженные частицы. Заряженные частицы могут двигаться с релятивистскими скоростями, близкими к скоростям распространения поля, но, как показал Альберт Эйнштейн , для этого требуются огромные энергии поля, которых нет в нашем повседневном опыте с электричеством, магнетизмом, материей, временем и пространством.

Цикл обратной связи можно обобщить в виде списка, включающего явления, принадлежащие каждой части цикла:

  • заряженные частицы создают электрические и магнитные поля
  • поля взаимодействуют друг с другом
    • изменяющееся электрическое поле действует как ток, создавая «вихрь» магнитного поля
    • Индукция Фарадея : изменение магнитного поля индуцирует (отрицательный) вихрь электрического поля
    • Закон Ленца : петля отрицательной обратной связи между электрическим и магнитным полями
  • поля действуют на частицы
    • Сила Лоренца: сила из-за электромагнитного поля
      • электрическая сила: то же направление, что и электрическое поле
      • магнитная сила: перпендикулярна как магнитному полю, так и скорости заряда
  • заряженные частицы движутся
    • ток - это движение частиц
  • заряженные частицы создают больше электрических и магнитных полей; цикл повторяется

Математическое описание

Есть разные математические способы представления электромагнитного поля. Первый рассматривает электрическое и магнитное поля как трехмерные векторные поля . Каждое из этих векторных полей имеет значение, определенное в каждой точке пространства и времени, и поэтому часто рассматриваются как функции пространственных и временных координат. Таким образом, они часто записываются как E (x, y, z, t) ( электрическое поле ) и B (x, y, z, t) ( магнитное поле ).

Если только электрическое поле ( E ) не равно нулю и постоянно во времени, то говорят, что это электростатическое поле . Точно так же, если только магнитное поле ( B ) не равно нулю и постоянно во времени, поле называется магнитостатическим полем . Однако, если электрическое или магнитное поле зависит от времени, то оба поля должны рассматриваться вместе как связанное электромагнитное поле с использованием уравнений Максвелла .

С появлением специальной теории относительности физические законы стали восприимчивы к формализму тензоров . Уравнения Максвелла можно записать в тензорной форме, которая обычно рассматривается физиками как более элегантное средство выражения физических законов.

Поведение электрических и магнитных полей, будь то электростатика, магнитостатика или электродинамика (электромагнитные поля), регулируется уравнениями Максвелла. В формализме векторного поля это:

( Закон Гаусса )
( Закон Гаусса для магнетизма )
( Закон Фарадея )
( Закон Максвелла – Ампера )

где - плотность заряда, которая может (и часто зависит) от времени и положения, - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, - проницаемость свободного пространства, а J - вектор плотности тока, также являющийся функцией времени и положения. Вышеуказанные единицы являются стандартными единицами СИ. Внутри линейного материала уравнения Максвелла изменяются путем переключения проницаемости и диэлектрической проницаемости свободного пространства с проницаемостью и диэлектрической проницаемостью рассматриваемого линейного материала. В других материалах, которые обладают более сложной реакцией на электромагнитные поля, эти члены часто представлены комплексными числами или тензорами.

Закон силы Лоренца регулирует взаимодействие электромагнитного поля с заряженным веществом.

Когда поле перемещается в другую среду, свойства поля меняются в соответствии с различными граничными условиями. Эти уравнения получены из уравнений Максвелла. Тангенциальные составляющие электрического и магнитного полей на границе двух сред следующие:

(без тока)
(бесплатно)

Угол преломления электрического поля между средами связан с диэлектрической проницаемостью каждой среды:

Угол преломления магнитного поля между средами связан с проницаемостью каждой среды:

Свойства поля

Взаимное поведение электрического и магнитного полей

Два уравнения Максвелла, закон Фарадея и закон Ампера-Максвелла, иллюстрируют очень практическую особенность электромагнитного поля. Закон Фарадея можно грубо сформулировать как «изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле». Это принцип, лежащий в основе электрического генератора .

Закон Ампера примерно гласит, что «изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле». Таким образом, этот закон можно применить для создания магнитного поля и запуска электродвигателя .

Поведение полей при отсутствии зарядов или токов

Уравнения Максвелла принимают форму электромагнитной волны в объеме пространства, не содержащем зарядов или токов ( свободное пространство ), то есть где и J равны нулю. В этих условиях электрическое и магнитное поля удовлетворяют уравнению электромагнитной волны :

Джеймс Клерк Максвелл был первым, кто получил это соотношение, завершив уравнения Максвелла с добавлением члена тока смещения к закону обхода Ампера .

Связь с другими физическими полями и сравнение с ними

Электромагнитное поле, являющееся одной из четырех фундаментальных сил природы, полезно сравнивать с гравитационным , сильным и слабым полями. Слово «сила» иногда заменяется словом «взаимодействие», потому что современная физика элементарных частиц моделирует электромагнетизм как обмен частицами, известный как калибровочные бозоны .

Электромагнитные и гравитационные поля

Источники электромагнитного поля состоят из двух типов заряда - положительного и отрицательного. Это контрастирует с источниками гравитационного поля - массами. Массы иногда называют гравитационными зарядами , важной особенностью которых является то, что существуют только положительные массы и нет отрицательных масс . Кроме того, гравитация отличается от электромагнетизма тем, что положительные массы притягивают другие положительные массы, тогда как одинаковые заряды в электромагнетизме отталкиваются друг от друга.

Относительные сильные стороны и диапазоны четырех взаимодействий и другая информация представлены в таблице ниже:

Теория Взаимодействие посредник Относительная величина Поведение Диапазон
Хромодинамика Сильное взаимодействие глюон 10 38 1 10 −15 м
Электродинамика Электромагнитное взаимодействие фотон 10 36 1 / r 2 бесконечный
Флаводинамика Слабое взаимодействие W- и Z-бозоны 10 25 От 1 / r 5 до 1 / r 7 10 −16 м
Геометродинамика Гравитация гравитон (предположительно) 10 0 1 / r 2 бесконечный

Приложения

Статические поля E и M и статические поля EM

Когда электромагнитное поле (см. Электромагнитный тензор ) не изменяется во времени, его можно рассматривать как чисто электрическое поле, или чисто магнитное поле, или как смесь того и другого. Однако в общем случае статическое электромагнитное поле, в котором присутствуют как электрические, так и магнитные компоненты, представляется большинству наблюдателей. Наблюдатели, которые видят только электрическую или магнитную составляющую статического электромагнитного поля, подавляют другую (электрическую или магнитную) составляющую из-за особого случая неподвижного состояния зарядов, которые в этом случае создают электромагнитное поле. В таких случаях другой компонент проявляется в других кадрах наблюдателя.

Следствием этого является то, что любой случай, который, кажется, состоит из «чистого» статического электрического или магнитного поля, может быть преобразован в электромагнитное поле с присутствующими как E-, так и M-компонентами, просто перемещая наблюдателя в систему отсчета. который движется относительно кадра, в котором появляется только «чистое» электрическое или магнитное поле. То есть чистое статическое электрическое поле покажет знакомое магнитное поле, связанное с током, в любой системе отсчета, в которой движется заряд. Точно так же любое новое движение заряда в области, которая раньше казалась содержащей только магнитное поле, покажет, что пространство теперь также содержит электрическое поле, которое, как будет обнаружено, создает дополнительную силу Лоренца на движущийся заряд.

Таким образом, электростатика , а также магнетизм и магнитостатика теперь рассматриваются как исследования статического электромагнитного поля, когда конкретная рамка была выбрана для подавления другого типа поля, и поскольку электромагнитное поле как с электрическим, так и с магнитным В другом кадре эти «более простые» эффекты - всего лишь следствие наблюдателя. «Применение» всех таких не изменяющихся во времени (статических) полей обсуждается в основных статьях, ссылки на которые приведены в этом разделе.

Изменяющиеся во времени электромагнитные поля в уравнениях Максвелла

У электромагнитного поля, которое изменяется во времени, есть две «причины» в уравнениях Максвелла. Одна из них - это заряды и токи (так называемые «источники»), а другая причина для поля E или M - это изменение поля другого типа (эта последняя причина также появляется в «свободном пространстве», очень далеко от токов и зарядов. ).

Электромагнитное поле, находящееся очень далеко от токов и зарядов (источников), называется электромагнитным излучением (ЭМИ), поскольку оно исходит от зарядов и токов в источнике и не оказывает на них эффекта «обратной связи», а также не подвергается прямому воздействию в настоящее время (скорее, оно косвенно вызвано последовательностью изменений полей, исходящих от них в прошлом). ЭМИ состоит из излучений в электромагнитном спектре , включая радиоволны , микроволновые , инфракрасные , видимые , ультрафиолетовые , рентгеновские и гамма-лучи . Многие коммерческие применения этих излучений обсуждаются в названных статьях и ссылках на них.

Заметное применение видимого света заключается в том, что этот тип солнечной энергии питает все живое на Земле, которое либо производит, либо использует кислород.

Изменяющееся электромагнитное поле, которое физически близко к токам и зарядам (см. Ближнее и дальнее поле для определения «близкого»), будет иметь дипольную характеристику, в которой доминирует либо изменяющийся электрический диполь , либо изменяющийся магнитный диполь . Этот тип дипольного поля вблизи источников называется электромагнитным ближним полем .

Изменяющиеся электрические дипольные поля как таковые используются в коммерческих целях в качестве ближних полей, главным образом как источник диэлектрического нагрева . В противном случае они появляются паразитно вокруг проводников, поглощающих ЭМИ, и вокруг антенн, предназначенных для генерации ЭМИ на больших расстояниях.

Изменяющиеся магнитные дипольные поля (т. Е. Магнитные ближние поля) коммерчески используются для многих типов устройств магнитной индукции . К ним относятся двигатели и электрические трансформаторы на низких частотах, а также устройства, такие как металлоискатели и катушки сканера МРТ на более высоких частотах. Иногда эти высокочастотные магнитные поля изменяются на радиочастотах, не будучи волнами дальнего поля и, следовательно, радиоволнами; см. RFID- метки. См. Также связь ближнего поля . Дальнейшее коммерческое использование электромагнитных эффектов ближнего поля можно найти в статье о виртуальных фотонах , поскольку на квантовом уровне эти поля представлены этими частицами. Эффекты дальнего поля (ЭМИ) в квантовой картине излучения представлены обычными фотонами .

Другой

  • Электромагнитное поле можно использовать для записи данных о статическом электричестве.
  • Старые телевизоры можно проследить с помощью электромагнитных полей.

Здоровье и безопасность

Потенциальное воздействие электромагнитных полей на здоровье человека широко варьируется в зависимости от частоты и интенсивности полей.

Потенциальные последствия для здоровья ЭМП очень низкой частоты, окружающие линии электропередач и электрические устройства, являются предметом текущих исследований и значительного количества общественных дискуссий. США Национальный институт по охране труда и здоровья (NIOSH) и другие государственные органы США не считают EMFs доказанный вред здоровью. NIOSH выпустил несколько предостерегающих рекомендаций, но подчеркивает, что данные в настоящее время слишком ограничены, чтобы делать хорошие выводы.

Всегда можно предположить, что сотрудники, работающие с электрооборудованием и установками, подвергаются воздействию электромагнитных полей. Воздействие на офисных работников полей, создаваемых компьютерами, мониторами и т. Д., Незначительно из-за низкой напряженности поля. Однако промышленные установки для индукционной закалки и плавления или на сварочном оборудовании могут создавать значительно более высокие значения напряженности поля и требуют дальнейшего изучения. Если воздействие не может быть определено на основании информации производителя, сравнений с аналогичными системами или аналитических расчетов, необходимо провести измерения. Результаты оценки помогают оценить возможные опасности для безопасности и здоровья рабочих и определить меры защиты. Поскольку электромагнитные поля могут влиять на пассивные или активные имплантаты работников, важно учитывать воздействие на их рабочих местах отдельно при оценке риска .

С другой стороны, известно, что излучение из других частей электромагнитного спектра , таких как ультрафиолетовый свет и гамма-лучи , при некоторых обстоятельствах причиняет значительный вред. Дополнительные сведения о влиянии на здоровье определенных электромагнитных явлений и частей электромагнитного спектра см. В следующих статьях:

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0138053260.
  • Максвелл, Дж. К. (1 января 1865 г.). «Динамическая теория электромагнитного поля». Философские труды Лондонского королевского общества . 155 : 459–512. DOI : 10,1098 / rstl.1865.0008 . S2CID  186207827 . (Эта статья сопровождала презентацию Максвелла Королевскому обществу 8 декабря 1864 г.)
  • Перселл, Эдвард М .; Морин, Дэвид Дж. (2012). Электричество и магнетизм (3-е изд.). Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 9781-10701-4022.
  • Грин, Брайан. Ткань Космоса . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Random House. (Глава 3: подразделы Сила, Материя и Поле Хиггса)

внешние ссылки