Oddziaływanie elektromagnetyczne

Oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech znanych fizyce oddziaływań elementarnych.

W XIX w. stwierdzono, że prąd płynący przez przewodnik wytwarza pole magnetyczne oraz, że zmiany tego pola powodują przepływ prądu elektrycznego. Okazuje się, że zmienne pole elektryczne i zmienne pole magnetyczne są od siebie zależne. To powiązanie tych dwóch pól nazywamy polem elektromagnetycznym.

Pole elektromagnetyczne oddziałuje na ciała (cząstki), obdarzone ładunkiem elektrycznym lub magnetycznym i jest wytwarzane przez obiekty tego rodzaju.

Pole elektromagnetyczne charakteryzują wektory:
- natężenia pola elektrycznego E,
- indukcji elektrycznej D,
- indukcji magnetycznej B,
- natężenia pola magnetycznego H lub potencjały elektromagnetyczne: skalarny (elektryczny) V i wektorowy (magnetyczny) A. Związek tych wielkości ze źródłami pola jest określony zestawem czterech równań zwanych równaniami Maxwella.

rot E = – B/t (prawo indukcji elektromagnet. Faradaya),
rot H = j + (D/t) (prawo Ampre’a uzupełnione przez J. Maxwella),
div D =  (prawo Gaussa dla pola elektr.),
div B = 0 (prawo Gaussa dla pola magnet.),
gdzie E- natężenie pola elektrycznego, H- natężenie pola magnetycznego, D-indukcja elektryczna, B-indukcja magnetyczna, j-gęstość prądu elektrycznego, p-gęstość ładunku elektrycznego, t- czas.

Pierwsze równanie stwierdza, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne.

Drugie równanie głosi, że zarówno prąd elektryczny jak i zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne.

Trzecie i czwarte równania oznaczają, że źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne a pole magnetyczne nie ma źródeł (nie istnieją ładunki magnetyczne).

Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne może się rozchodzić w przestrzeni z prędkością światła i nazywamy je falą elektromagnetyczną.

Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor natężenia magnetycznego H), wektory tych pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie.

Fale elektromagnetyczne przenoszą energię oraz pęd. Gęstość energii przenoszonej przez fale elektromagnetyczne określa wektor Poyntinga - Umowa S = E x H. Nośnikiem fali elektromagnetycznej jest foton.

Oddziaływanie pola elektromagnetycznego charakteryzuje siła Lorentza. Jest to siła F, działająca na pojedynczą cząstkę naładowaną poruszającą się w polu magnetycznym.
Kierunek i zwrot siły Lorentza działającej na naładowaną dodatnio cząstkę znajdujemy tak jak kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej; kierunek prądu zastępujemy prędkością cząstki (rys. 1 -> patrz załącznik).
Dla cząstek naładowanych ujemnie zwrot siły Lorentza jest przeciwny (rys.2 -> patrz załącznik).

Siłę Lorentza przedstawiamy wzorem F=q E + q v x B, gdzie q- ładunek elektryczny cząstki, E- natężenie pola elektrycznego, B- indukcja magnetyczna, v- prędkość cząstki. Pierwszy składnik wzoru przedstawia siłę działającą na cząstkę w polu elektrycznym, drugi- siłę działającą w polu magnetycznym (powoduje ona zakrzywienie toru cząstki).

W wyniku działania siły Lorentza na elektrony przewodnika znajdującego się w zmiennym polu magnetycznym powstaje indukcja elektromagnetyczna.

Siła Lorentza jest jedną z podstawowych sił działających w fizyce. Siła ta, jako prostopadła do prędkości, nigdy nie wykonuje pracy- jest to zawsze siła dośrodkowa, która nie zmienia wartości prędkości, a tylko jej kierunek. W jednorodnym polu magnetycznym ładunek poruszający się prostopadle do linii pola zatacza okrąg ze stałą wartością prędkości, ładunek biegnący ukośnie – linię śrubową.