電磁場 - 発見の歴史と物性

電気現象と磁気現象は古代から人類に知られており、多くの古代人は特定の金属を引き付ける磁石について知っていました。 4000年前に発明されたバグダッド電池は、人類が私たちの時代よりずっと前から電気を使用し、それがどのように機能するかを明らかに知っていたという証拠の1つです。しかし、19 世紀初頭までは、電気と磁気は常に互いに切り離され、無関係な現象であり、物理学の異なる分野に属するものと考えられていたと考えられています。

磁場の研究は 1269 年にフランスの科学者ピーター ペレグラン (メリクールの騎士ピエール) が鋼鉄の針を使用して球形の磁石の表面に磁場をマークし、結果として生じる磁力線が彼が呼んだ 2 つの点で交差することを確認したときに始まりました。 「極」は地球の極に喩えられます。

エルステッドは 1819 年に初めて実験を行った。電流が流れるワイヤーの近くに置かれたコンパスの針がたわむことを発見し、科学者は電気現象と磁気現象の間に何らかの関係があると結論付けました。

5 年後の 1824 年、アンペールは、電流が流れるワイヤと磁石の相互作用、およびワイヤ間の相互作用を数学的に記述することができました。 アンペールの法則: 「一様な磁場内に置かれた電流が流れるワイヤに作用する力は、ワイヤの長さに比例します。 磁気誘導ベクトル、磁気誘導ベクトルとワイヤ間の角度の電流と正弦«。

電流に対する磁石の影響に関して、アンペールは、永久磁石の内部には、電流が流れる導体の磁場と相互作用する磁石の磁場を生成する微視的な閉電流があると示唆しました。

さらに 7 年後の 1831 年、ファラデーは電磁誘導現象を実験的に発見しました。つまり、変化する磁場が導体に作用する瞬間に導体に起電力が現れるという事実を確立することに成功しました。見て - 電磁誘導現象の実用化.

たとえば、永久磁石をワイヤの近くに移動すると、その中に脈動電流が発生します。また、一方のコイルに脈動電流を印加すると、2 番目のコイルが配置されている共通の鉄心に脈動電流が発生します。セカンドコイルにも現れます。

33 年後の 1864 年、マクスウェルはすでに知られている電気現象と磁気現象を数学的に要約することに成功しました。彼は電磁場の理論を作成しました。これによると、電磁場には相互接続された電場と磁場が含まれます。したがって、マクスウェルのおかげで、電気力学の以前の実験の結果を科学的に組み合わせることが可能になりました。

マクスウェルのこれらの重要な結論の結果は、原理的には、電磁場のいかなる変化も電磁波を生成し、その電磁波は媒体の磁性と誘電率に依存する一定の有限速度で空間および誘電体媒体中を伝播するに違いないというものである。波状の伝播用。

真空の場合、この速度は光の速度に等しいことが判明し、これに関連してマクスウェルは光も電磁波であると仮定し、この仮定は後に確認されました（ただしユングはエルステッドのずっと前に光の波の性質を指摘していました）実験）。

一方、マクスウェルは電磁気学の数学的基礎を作成し、1884 年にマクスウェルの有名な方程式が現代の形式で登場しました。 1887 年、ハーツはマクスウェルの理論を確認しました。 電磁波: 受信機は送信機から送信された電磁波を受信します。

古典電気力学は電磁場の研究を扱います。量子電気力学の枠組みでは、電磁放射は光子の流れと考えられ、電磁相互作用はキャリア粒子、つまり光子、つまり電磁場の基本量子励起として表すことができる質量のないベクトルボソンによって運ばれます。したがって、量子電気力学の観点からは、光子は電磁場の量子です。

電磁相互作用は今日物理学における基本的な相互作用の 1 つと考えられており、電磁場は重力場やフェルミオン場と並んで基本的な物理場の 1 つです。

電磁場の物理的性質

空間内の電場、磁場、またはその両方の存在は、荷電粒子または電流に対する電磁場の強い作用によって判断できます。

電場は、移動電荷と静止電荷の両方に、所定の力で作用します。これは、空間内の所定の点における所定の時間の電場の強さとテスト電荷 q の大きさに依存します。

電界が試験電荷に作用する力 (大きさと方向) と電荷の大きさがわかれば、空間内の特定の点での電界強度 E を求めることができます。

電場は電荷によって生成され、その力線は正電荷 (条件付きで電荷から流れ出す) で始まり、負電荷 (条件付きで電荷に流れ込む) で終わります。したがって、電荷は電場の源となります。電場のもう 1 つの発生源は変化する磁場であり、これはマクスウェル方程式によって数学的に証明されています。

電界側から電荷に作用する力は、電磁界側から特定の電荷に作用する力の一部です。

磁場は、電荷 (電流) の移動または時間変化する電場 (マクスウェルの方程式に見られるように) によって生成され、移動する電荷にのみ作用します。

移動する電荷に対する磁場の作用の強さは、磁場の誘導、移動する電荷の大きさ、その移動速度、および磁場の誘導ベクトル間の角度の正弦 B に比例します。そしてチャージの移動速度の方向。この力は、ロレンツォバッハ力と呼ばれることが多く、その「磁性」部分にすぎません。

実際、ローレンツ力には電気成分と磁気成分が含まれています。磁場は電荷 (電流) の移動によって生成され、その力線は常に閉じて電流を覆います。