Электромагнетизм

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, но играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на гораздо больших расстояниях, чем оно. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы, молекулы - в макротела и т.д.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрические поля возникают при наличии электрических зарядов, а магнитные - при их движении. В природе существуют положительные и отрицательные заряды, это и определяет характер электромагнитного взаимодействия: оно действует между электрически заряженными частицами. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Различные агрегатные состояния веществ, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе являются электромагнитными.

Электромагнитное взаимодействие описывается законом Ш.Кулона.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между телами.

= k q1 q2 / r 2,

где k - коэффициент пропорциональности, k = 9·109 Н·м Кл 2.

Наиболее общее описание электромагнитного взаимодействия дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

В мегамире электромагнитное взаимодействие звезд пренебрежимо мало по сравнению с гравитационным: т.к. звезды электронейтральны, а расстояние между ними очень большое.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах - электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

Поскольку по величине электрические силы намного превосходят гравитационные, то в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в.

Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство; мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Таким образом, нашу Вселенную формируют силы всего четырех типов. Масштаб явлений, определяемых каждой фундаментальной силой, зависит от радиуса её действия. Тяготение проявляется главным образом в астрономическом и космологическом масштабах, электромагнитные силы - в так называемом макромире, то есть в мире человеческой деятельности, от размеров Земли до расстояний порядка атомных. Короткодействующие ядерные силы, как бы велики и важны они ни были, совершенно не участвуют в явлениях на таких масштабах.