Co to jest teoria elektromagnetyczna?

Teoria szczególnej teorii względności Einsteina opisuje magnetyzm jako produkt uboczny siły elektrycznej. Stąd te dwie siły można uznać za różne aspekty siły fundamentalnej, którą fizycy nazywają elektromagnetyzmem. Teoria elektromagnetyczna opisuje zbiór powiązanych ze sobą twierdzeń naukowych wykorzystywanych do odpowiedzi na pytania dotyczące tej siły.

Fizycy wykorzystują pola jako abstrakcje, aby opisać wpływ systemu na otoczenie. Pole elektryczne naładowanego obiektu reprezentuje siłę, jaką wywiera on na naładowaną cząstkę. Pole jest silniejsze bliżej obiektu, ponieważ siła elektrostatyczna maleje wraz ze wzrostem odległości między dwoma ładunkami. Pola magnetyczne są podobnie zdefiniowane, z tym wyjątkiem, że opisują siłę wywieraną na poruszającą się naładowaną cząsteczkę.

Najbardziej podstawowymi pojęciami w teorii elektromagnetycznej są: „zmienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne”, a „zmienne pole magnetyczne generuje pole magnetyczne”. Zasady te są kwantyfikowane przez równania Maxwella, nazwane na cześć Jamesa Clerk Maxwella, szkockiego fizyka i matematyka, którego praca w XIX wieku ustanowiła dyscyplinę, rewolucjonizując sposób, w jaki fizycy postrzegali światło. Równania Maxwella rzutują również znane wcześniej związki - prawo Coulomba i prawo Biota-Savarta - na język pól.

Naładowana cząstka generuje pole magnetyczne podczas ruchu, ale pole magnetyczne jest prostopadłe do ruchu cząstki. Ponadto, wpływ tego pola magnetycznego na drugi ładunek ruchomy jest prostopadły zarówno do pola, jak i ruchu drugiego ładunku. Te dwa fakty powodują, że nawet podstawowe problemy w elektromagnetyzmie wymagają złożonego trójwymiarowego wnioskowania. Historycznie rozwój wektorów w matematyce i nauce zawdzięcza znaczną część swojego postępu pracom fizyków próbujących wyodrębnić i uprościć stosowanie teorii elektromagnetycznej.

W XIX wieku teoria elektromagnetyczna zmieniła sposób, w jaki fizycy rozumieli światło. Newton opisał światło w kategoriach cząstek zwanych ciałkami, ale Maxwell twierdził, że jest to przejaw pól elektrycznych i magnetycznych, które pchają się w przestrzeń. Zgodnie z tą koncepcją światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie, radar i wiele innych zjawisk są z natury podobne, każde z nich jest kombinacją pól elektrycznych i magnetycznych zmieniających się z inną częstotliwością. Naukowcy nazywają kontinuum wszystkich takich fal widmem elektromagnetycznym.

Sukces teorii elektromagnetycznej doprowadził do upadku reszty fizyki newtonowskiej w XX wieku. Einstein zdał sobie sprawę, że teoria Maxwella wymaga współzależnej przestrzeni i czasu, różnych współrzędnych czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Co więcej, teoria względności Einsteina wykazała, że ​​przestrzeń jest zakrzywiona, a upływ czasu mierzony przez jednego obserwatora różni się od czasu mierzonego przez innego. Wszystkie te odkrycia były całkowicie niezgodne z teorią ruchu Newtona. Zatem badanie elektromagnetyzmu zmieniło, bezpośrednio lub pośrednio, sposób, w jaki fizycy rozumieją elektryczność, magnetyzm, światło, przestrzeń, czas i grawitację.