Wat is elektromagnetische theorie?
Einsteins speciale relativiteitstheorie beschrijft magnetisme als het bijproduct van elektrische kracht. Daarom kunnen deze twee krachten worden beschouwd als verschillende facetten van een meer fundamentele kracht, die natuurkundigen elektromagnetisme noemen. Elektromagnetische theorie beschrijft een verzameling onderling verbonden wetenschappelijke claims die worden gebruikt om vragen over deze kracht te beantwoorden.
Natuurkundigen gebruiken velden als abstracties om te beschrijven hoe een systeem zijn omgeving beïnvloedt. Het elektrische veld van een geladen object vertegenwoordigt de kracht die het op een geladen deeltje zou uitoefenen. Het veld is sterker dichter bij het object omdat de elektrostatische kracht afneemt naarmate de afstand tussen twee ladingen toeneemt. Magnetische velden zijn op dezelfde manier gedefinieerd, behalve dat ze de kracht beschrijven die wordt uitgeoefend op een bewegend geladen deeltje.
De meest elementaire ideeën in de elektromagnetische theorie zijn "een veranderend elektrisch veld genereert een magnetisch veld" en "een veranderend magnetisch veld genereert een magnetisch veld". Deze principes worden gekwantificeerd door Maxwell's vergelijkingen, genoemd naar James Clerk Maxwell, de Schotse natuurkundige en wiskundige wiens werk in de 19e eeuw vestigde de discipline door een revolutie teweeg te brengen in hoe fysici licht bedachten. Maxwell's vergelijkingen werpen ook eerder bekende relaties - de wet van Coulomb en de wet Biot-Savart - in de taal van velden.
Een geladen deeltje genereert een magnetisch veld terwijl het beweegt, maar het magnetische veld staat loodrecht op de beweging van het deeltje. Verder is het effect dat dit magnetische veld heeft op een tweede bewegende lading loodrecht op zowel het veld als de beweging van de tweede lading. Deze twee feiten veroorzaken dat zelfs basisproblemen in het elektromagnetisme een complexe, driedimensionale redenering vereisen. Historisch gezien is de ontwikkeling van vectoren in de wiskunde en de wetenschap grotendeels te danken aan het werk van natuurkundigen die proberen het gebruik van elektromagnetische theorie te abstraheren en te vereenvoudigen.
In de 19e eeuw veranderde de elektromagnetische theorie hoe natuurkundigen licht begrepen. Newton had licht beschreven in termen van deeltjes die bloedlichaampjes worden genoemd, maar Maxwell beweerde dat het de manifestatie was van elektrische en magnetische velden die elkaar door de ruimte duwden. Volgens deze opvatting zijn zichtbaar licht, röntgenstralen, radar en vele andere fenomenen allemaal inherent vergelijkbaar, elk een combinatie van elektrische en magnetische velden die met een andere frequentie variëren. Wetenschappers noemen het continuüm van al dergelijke golven het elektromagnetische spectrum.
Het succes van de elektromagnetische theorie leidde tot de ineenstorting van de rest van de Newtoniaanse fysica in de 20e eeuw. Einstein besefte dat de theorie van Maxwell ruimte en tijd vereiste om onderling afhankelijke, verschillende coördinaten van een vierdimensionale ruimtetijd te zijn. Bovendien toonde de relativiteitstheorie van Einstein aan dat de ruimte gekromd was en dat het tijdsverloop gemeten door de ene waarnemer verschilde van die gemeten door de andere. Deze ontdekkingen waren allemaal volledig onverenigbaar met de bewegingsleer van Newton. De studie van elektromagnetisme heeft dus direct of indirect de manier veranderd waarop fysici elektriciteit, magnetisme, licht, ruimte, tijd en zwaartekracht begrijpen.