الکترومغناطیس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish

الکترومغناطیس (به انگلیسی: Electromagnetism) شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریهٔ الکترومغناطیس این نیروها به وسیلهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتند. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها کنار هم نگه می‌دارد. درحقیقت عامل همهٔ نیروهای درون مولکولی، نیروی الکترومغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتاً یه یکدیگر مربوطند. تغییر میدان الکتریکی با زمان، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. همچنین تغییر میدان مغناطیسی با زمان، میدان الکتریکی تولید می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته می‌شود و اساس کار ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها است. میدان الکتریکی عامل چند پدیدهٔ معمول مانند پتانسیل الکتریکی (ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (جریان برق)، و میدان مغناطیسی عامل رانش و ربایش آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی، نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن فرض می‌شود که ذرات حامل (به نام فوتون مجازی) بین ذرات باردار مبادله می‌شود.

مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به ارائه نظریه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.

تاریخچه الکترومغناطیس[ویرایش]

در ابتدا تصور این بود که الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده جدا از هم هستند. با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۷۳ میلادی که در آن وی نشان داد تعامل بارهای مثبت و منفی توسط یک نیرو صورت می‌گیرد، این دیدگاه تغییر کرد. چهار اثر عمده ناشی از تداخل این دو وجود دارد که به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند.

  1. نیروی الکتریکی جذب یا دفع‌کننده بارها متناسب با معکوس مربع فاصله آن‌ها است.
  2. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت توسط خطوط میدان مغناطیسی به هم متصل می‌شوند؛ قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب مغناطیسی متصل است.
  3. جریان الکتریکی در سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم ایجاد می‌کند، که جهت آن وابسته به جهت جریان است.
  4. هنگامی که یک حلقه سیم به سمت میدان مغناطیسی حرکت کند یا از آن دور شود، یا اینکه میدان مغناطیسی به سمت حلقه نزدیک یا از آن دور شود، در حلقه جریان برقرار می‌شود و جهت آن وابسته به جهت حرکت است.

زمانی که هانس کریستین اورستد در حال آماده شدن برای یک سخنرانی در شب ۲۱ آوریل سال ۱۸۲۰ میلادی بود، مشاهدات شگفت‌آوری کرد. او متوجه شد که سوزن قطب‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری قطع و وصل می‌شد، منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تأثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. او یافته‌های خود را به چاپ رساند که نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی می‌کند. واحد القاء مغناطیسی Oersted است و به افتخار او نام‌گذاری شده‌است.

پدیده القای الکترومغناطیسی که بعدها توسط مایکل فارادی مشاهده شد، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش یافت و بخشی از آن دوباره توسط الیور هِویساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد که یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن نوزدهم میلادی به‌شمار می‌رود. از آن پس، الکترومغناطیس ٬همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده‌است.

Bar magnet.jpg

تاریخچه تجهیزات الکترومغناطیسی[ویرایش]

  • ۱۸۰۰: برای اولین بار آلِساندرو ولتا از روی و نقره توان الکتریکی دائمی (پیل یا باتری) تولید کرد.
  • ۱۸۲۰: هانس کریستیَن اُورستِد با مشاهدهٔ تغییر جهت قطب‌نما با جریان الکتریکی میدان مغناطیسی را پیدا کرد. این اولین جابه‌جایی مکانیکی با جریان الکتریکی بود.
  • ۱۸۲۰: آندره ماری آمپر سیم پیچ استوانه‌ای را اختراع کرد.
  • ۱۸۲۱: مایکل فارادِی دو آزمایش برای نشان دادن چرخش مغناطیسی طراحی کرد. او یک سیم آویزان را در معرض میدان مغناطیسی قرار داد و چرخش آن در یک مدار دوار را مشاهده کرد.
  • ۱۸۲۲: پیتر بارلو (انگلیسی) چرخ نخ‌ریسی را اختراع کرد. (چرخ بارلو = ماشین تک قطبی).
  • ۱۸۲۶–۱۸۲۵: ولیام استراگن (انگلیسی) آهنربای الکتریکی را اختراع کرد، که یک سیم پیچ با هسته آهنی (به منظور افزایش میدان مغناطیسی) بود.
  • ۱۸۲۷–۱۸۲۸: ایستوان (آنیوس) جدلیک (مجارستانی) اولین ماشین‌های دوار با برق و کموتاتور را اختراع کرد. اما او چندین سال پس از اختراع به فکر ثبتش افتاد و تاریخ دقیق آن مشخص نیست.
  • ۱۸۳۱: مایکل فارادی القای الکترومغناطیسی را کشف کرد؛ یعنی تولید جریان الکتریکی با تغییر میدان مغناطیسی.[۱]

بررسی اجمالی[ویرایش]

نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار نیروهای بنیادی طبیعت است. نیروی الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد. الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. این نیرو در انرژی‌های بسیار بالا، با نیروی هسته‌ای قوی متحد می‌شود که با نام نیروی الکترو قوی شناخته می‌شود.

الکترودینامیک کلاسیک[ویرایش]

نظریه دقیق الکترومغناطیس، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک، توسط فیزیکدانان قرن ۱۹ و در اوج کار جیمز کلرک ماکسول - که یکپارچه‌کننده پدیده‌های شناخته شده تا زمان خود به یک تئوری واحد و نیز کاشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است - شکل گرفت. در الکترومغناطیس کلاسیک، میدان الکترومغناطیسی توسط مجموعه‌ای از معادلات شناخته شده به عنوان معادلات ماکسول، و نیز نیروی الکترومغناطیسی بیان شده توسط قانون نیروی لورنتس توصیف می‌شود. الکترومغناطیس کلاسیک به سختی با مکانیک کلاسیک سازگار است، اما با نسبیت خاص سازگار است. در معادلات ماکسول، سرعت نور در خلأ ثابت و تنها وابسته به گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی در خلأ است. این موضوع اما ناقض قوانین سرعت گالیله‌ای (سنگ بنای مکانیک کلاسیک) است. یک راه برای آشتی دادن دو نظریه، فرض وجود محیطی به نام «اتر» است که نور در آن حرکت می‌کند. با این حال، پس از تلاش‌های تجربی فراوان، وجود اتر اثبات نشد. پس از کمک‌های مهم هندریک لورنتس و هانری پوانکاره، در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین مشکل را با نسبیت خاص حل کرد که جایگزین جدید تئوری حرکت‌شناسی کلاسیک شد و با الکترومغناطیس کلاسیک سازگار بود. علاوه بر این، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی در حال حرکت تبدیل به یک میدان الکتریکی غیر صفر و بالعکس می‌شود، بنابراین نشان می‌دهد که آن‌ها دو طرف یک سکه هستند، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» به این پدیده اطلاق شد.

نیروی لورنتس[ویرایش]

نیروی لورنتس توسط میدان الکترومغناطیسی به ذرهٔ باردار متحرک وارد می‌شود که رابطهٔ آن به صورت زیر است:

که نشان دهندهٔ بردار نیرو، مقدار بار الکتریکی ذره متحرک، مقدار میدان الکتریکی، بردار سرعت ذرهٔ متحرک و بردار میدان مغناطیسی می‌باشد.

میدان الکتریکی [ویرایش]

میدان الکتریکی طبق رابطهٔ زیر تعریف می‌شود:

که نشان دهنده بار مثبت آزمون، بردار نیروی الکتریکی وارد بر ذره باردار و بردار میدان الکتریکی می‌باشد.

در شرایط الکتروستاتیک که ذرات باردار ساکن هستند، طبق قانون کولن برای n ذره باردار می‌توان نشان داد که میدان الکتریکی به صورت زیر بدست می‌آید:

که تعداد ذرات باردار، بار هر ذره، موقعیت هر ذره، فاصله از میدان الکتریکی و ثابت گذردهی خلاء است.

حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت:

که چگالی بار و حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده‌است.

اختلاف پتانسیل الکتریکی[ویرایش]

می‌توان کمیتی اسکالر به نام پتانسیل الکتریکی برای میدان الکتریکی تعریف کرد. در شرایط الکتروستاتیک، به دلیل صفر بودن چرخش میدان الکتریکی (که ناشی از ماهیت مرکزی نیرو در قانون کولن است)، میدان الکتریکی برابر خواهد بود با منفی گرادیان . یعنی (در حالت الکتروستاتیک) می‌شود نوشت:

از این رابطه می‌توان بُعد را به‌صورت (ولت بر متر) نشان داد. با اعمال قضیه استوکس می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه برابر است با:

که مسیری است که روی آن از میدان انتگرال گرفته می‌شود.

برای یک بار نقطه‌ای ساکن می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل الکتریکی از رابطهٔ زیر بدست می‌آید:

که بار ذره، موقعیت هر ذره، فاصله از بار الکتریکی و ثابت گذردهی خلاء است. در شرایطی که بار می‌تواند آزادانه حرکت کند (حالت غیر ایستا). این رابطه با پتانسیل لینارد-ویشرت جایگزین می‌گردد که همانند قبل برای یک توزیع بار پیوسته خواهیم داشت:

که چگالی بار است (حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده).

دستگاه یکاها[ویرایش]

در دستگاه یکاهای SI، یکاهای کمیت‌های الکترومغناطیسی عبارتند از:

  • آمپر (جریان)
  • کولُن (بار)
  • فاراد (ظرفیت)
  • هِنری (اندوکتانس)
  • اهم (مقاومت)
  • ولت (پتانسیل الکتریکی)
  • وات (توان)
  • تِسلا (چگالی شار مغناطیسی)
  • وِبِر (شار مغناطیسی)
  • آمپر بر متر (شدت میدان مغناطیسی)

روابط الکترومغناطیس در دستگاه‌های یکاهای مختلف شکل یکسانی ندارند و در نتیجه تبدیل آن‌ها از دستگاهی به دستگاه دیگر ساده نیست. برای دیدن روابط الکترومغناطیس در دستگاه یکاهای گوناگون به معادلات ماکسول رجوع کنید.

جدول یکاها[ویرایش]

یکاهای الکترومغناطیس در SI
نماد[۲] نام کمیت نام یکا یکا یکا پایه
I جریان الکتریکی آمپر (یکای اصلی SI) A A (= W/V = C/s)
Q بار الکتریکی کولن C A·s
U, ΔV, Δφ, ΔE اختلاف پتانسیل، نیروی الکتروموتوری ولت V J/C = kg·m2·s−3·A−1
R, Z, X مقاومت الکتریکی، امپدانس، راکتانس اهم Ω V/A = kg·m2·s−3·A−2
ρ مقاومت ویژه اهم. متر Ω·m kg·m3·s−3·A−2
P توان الکتریکی وات W V·A = kg·m2·s−3
C ظرفیت الکتریکی فاراد F C/V = kg−1·m−2·A2·s4
E میدان الکتریکی ولت بر متر V/m N/C = kg·m·A−1·s−3
D میدان جابه‌جایی کولن بر متر مربع C/m2 A·s·m−2
ε0 ثابت گذردهی خلاء فاراد بر متر F/m kg−1·m−3·A2·s4
xe پذیرفتاری الکتریکی (بدون بعد) - -
G, Y, B رسانایی الکتریکی زیمنس S Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
κ, γ, σ رسانندگی زیمنس بر متر S/m kg−1·m−3·s3·A2
B, H میدان مغناطیسی تسلا T Wb/m2 = kg·s−2·A−1 = N·A−1·m−1 = A·m−1
φ شار مغناطیسی وبر Wb V·s = kg·m2·s−2·A−1
M, L ظرفیت القاء مغناطیسی هنری H Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
μ نفوذ پذیری هنری در متر H/m kg·m·s−2·A−2
x پذیرفتاری مغناطیسی (بدون بعد) - -

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع و پانویس[ویرایش]

Nave, R. , Magnetic Field Strength H, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
Keitch, Paul ([– Scholar search), Magnetic Field Strength and Magnetic Flux Density, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
Oppelt, Arnulf (2006-11-02), magnetic field strength, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
magnetic field strength converter, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴

کتاب‌ها[ویرایش]

  1. دیوید. جی. گریفیث(۱۹۹۸)، آشنایی با الکترودینامیک (ویرایش۳)، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی شابک ‎۹۷۸-۹۶۴-۰۱-۱۲۹۲-۲
  2. جی. ریتس، میلفورد، کریستی(۱۹۶۵)الکترومغناطیس کلاسیک، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی
  3. چنگ، دیوید کئون. الکترومغناطیس میدان و امواج. ترجمهٔ پرویز جبه‌دار مالارانی و محمد قوامی. مؤسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ ششم.

Electromagnetism is a branch of physics involving the study of the electromagnetic force, a type of physical interaction that occurs between electrically charged particles. The electromagnetic force is carried by electromagnetic fields composed of electric fields and magnetic fields, and it is responsible for electromagnetic radiation such as light. It is one of the four fundamental interactions (commonly called forces) in nature, together with the strong interaction, the weak interaction, and gravitation.[1] At high energy the weak force and electromagnetic force are unified as a single electroweak force.

Lightning is an electrostatic discharge that travels between two charged regions.

Electromagnetic phenomena are defined in terms of the electromagnetic force, sometimes called the Lorentz force, which includes both electricity and magnetism as different manifestations of the same phenomenon. The electromagnetic force plays a major role in determining the internal properties of most objects encountered in daily life. The electromagnetic attraction between atomic nuclei and their orbital electrons holds atoms together. Electromagnetic forces are responsible for the chemical bonds between atoms which create molecules, and intermolecular forces. The electromagnetic force governs all chemical processes, which arise from interactions between the electrons of neighboring atoms.

There are numerous mathematical descriptions of the electromagnetic field. In classical electrodynamics, electric fields are described as electric potential and electric current. In Faraday's law, magnetic fields are associated with electromagnetic induction and magnetism, and Maxwell's equations describe how electric and magnetic fields are generated and altered by each other and by charges and currents.

The theoretical implications of electromagnetism, particularly the establishment of the speed of light based on properties of the "medium" of propagation (permeability and permittivity), led to the development of special relativity by Albert Einstein in 1905.

History of the theory

Originally, electricity and magnetism were considered to be two separate forces. This view changed with the publication of James Clerk Maxwell's 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism in which the interactions of positive and negative charges were shown to be mediated by one force. There are four main effects resulting from these interactions, all of which have been clearly demonstrated by experiments:

  1. Electric charges attract or repel one another with a force inversely proportional to the square of the distance between them: unlike charges attract, like ones repel.
  2. Magnetic poles (or states of polarization at individual points) attract or repel one another in a manner similar to positive and negative charges and always exist as pairs: every north pole is yoked to a south pole.
  3. An electric current inside a wire creates a corresponding circumferential magnetic field outside the wire. Its direction (clockwise or counter-clockwise) depends on the direction of the current in the wire.
  4. A current is induced in a loop of wire when it is moved toward or away from a magnetic field, or a magnet is moved towards or away from it; the direction of current depends on that of the movement.

While preparing for an evening lecture on 21 April 1820, Hans Christian Ørsted made a surprising observation. As he was setting up his materials, he noticed a compass needle deflected away from magnetic north when the electric current from the battery he was using was switched on and off. This deflection convinced him that magnetic fields radiate from all sides of a wire carrying an electric current, just as light and heat do, and that it confirmed a direct relationship between electricity and magnetism.

At the time of discovery, Ørsted did not suggest any satisfactory explanation of the phenomenon, nor did he try to represent the phenomenon in a mathematical framework. However, three months later he began more intensive investigations. Soon thereafter he published his findings, proving that an electric current produces a magnetic field as it flows through a wire. The CGS unit of magnetic induction (oersted) is named in honor of his contributions to the field of electromagnetism.

His findings resulted in intensive research throughout the scientific community in electrodynamics. They influenced French physicist André-Marie Ampère's developments of a single mathematical form to represent the magnetic forces between current-carrying conductors. Ørsted's discovery also represented a major step toward a unified concept of energy.

This unification, which was observed by Michael Faraday, extended by James Clerk Maxwell, and partially reformulated by Oliver Heaviside and Heinrich Hertz, is one of the key accomplishments of 19th-century mathematical physics.[2] It has had far-reaching consequences, one of which was the understanding of the nature of light. Unlike what was proposed by the electromagnetic theory of that time, light and other electromagnetic waves are at present seen as taking the form of quantized, self-propagating oscillatory electromagnetic field disturbances called photons. Different frequencies of oscillation give rise to the different forms of electromagnetic radiation, from radio waves at the lowest frequencies, to visible light at intermediate frequencies, to gamma rays at the highest frequencies.

Ørsted was not the only person to examine the relationship between electricity and magnetism. In 1802, Gian Domenico Romagnosi, an Italian legal scholar, deflected a magnetic needle using a Voltaic pile. The factual setup of the experiment is not completely clear, so if current flowed across the needle or not. An account of the discovery was published in 1802 in an Italian newspaper, but it was largely overlooked by the contemporary scientific community, because Romagnosi seemingly did not belong to this community.[3]

An earlier (1735), and often neglected, connection between electricity and magnetism was reported by a Dr. Cookson.[4] The account stated:

A tradesman at Wakefield in Yorkshire, having put up a great number of knives and forks in a large box ... and having placed the box in the corner of a large room, there happened a sudden storm of thunder, lightning, &c. ... The owner emptying the box on a counter where some nails lay, the persons who took up the knives, that lay on the nails, observed that the knives took up the nails. On this the whole number was tried, and found to do the same, and that, to such a degree as to take up large nails, packing needles, and other iron things of considerable weight ...

E. T. Whittaker suggested in 1910 that this particular event was responsible for lightning to be "credited with the power of magnetizing steel; and it was doubtless this which led Franklin in 1751 to attempt to magnetize a sewing-needle by means of the discharge of Leyden jars." [5]

Fundamental forces

Representation of the electric field vector of a wave of circularly polarized electromagnetic radiation.

The electromagnetic force is one of the four known fundamental forces. The other fundamental forces are:

All other forces (e.g., friction, contact forces) are derived from these four fundamental forces (including momentum which is carried by the movement of particles).[6]

The electromagnetic force is responsible for practically all phenomena one encounters in daily life above the nuclear scale, with the exception of gravity. Roughly speaking, all the forces involved in interactions between atoms can be explained by the electromagnetic force acting between the electrically charged atomic nuclei and electrons of the atoms. Electromagnetic forces also explain how these particles carry momentum by their movement. This includes the forces we experience in "pushing" or "pulling" ordinary material objects, which result from the intermolecular forces that act between the individual molecules in our bodies and those in the objects. The electromagnetic force is also involved in all forms of chemical phenomena.

A necessary part of understanding the intra-atomic and intermolecular forces is the effective force generated by the momentum of the electrons' movement, such that as electrons move between interacting atoms they carry momentum with them. As a collection of electrons becomes more confined, their minimum momentum necessarily increases due to the Pauli exclusion principle. The behaviour of matter at the molecular scale including its density is determined by the balance between the electromagnetic force and the force generated by the exchange of momentum carried by the electrons themselves.[7]

Classical electrodynamics

In 1600, William Gilbert proposed, in his De Magnete, that electricity and magnetism, while both capable of causing attraction and repulsion of objects, were distinct effects. Mariners had noticed that lightning strikes had the ability to disturb a compass needle. The link between lightning and electricity was not confirmed until Benjamin Franklin's proposed experiments in 1752. One of the first to discover and publish a link between man-made electric current and magnetism was Romagnosi, who in 1802 noticed that connecting a wire across a voltaic pile deflected a nearby compass needle. However, the effect did not become widely known until 1820, when Ørsted performed a similar experiment.[8] Ørsted's work influenced Ampère to produce a theory of electromagnetism that set the subject on a mathematical foundation.

A theory of electromagnetism, known as classical electromagnetism, was developed by various physicists during the period between 1820 and 1873 when it culminated in the publication of a treatise by James Clerk Maxwell, which unified the preceding developments into a single theory and discovered the electromagnetic nature of light.[9] In classical electromagnetism, the behavior of the electromagnetic field is described by a set of equations known as Maxwell's equations, and the electromagnetic force is given by the Lorentz force law.[10]

One of the peculiarities of classical electromagnetism is that it is difficult to reconcile with classical mechanics, but it is compatible with special relativity. According to Maxwell's equations, the speed of light in a vacuum is a universal constant that is dependent only on the electrical permittivity and magnetic permeability of free space. This violates Galilean invariance, a long-standing cornerstone of classical mechanics. One way to reconcile the two theories (electromagnetism and classical mechanics) is to assume the existence of a luminiferous aether through which the light propagates. However, subsequent experimental efforts failed to detect the presence of the aether. After important contributions of Hendrik Lorentz and Henri Poincaré, in 1905, Albert Einstein solved the problem with the introduction of special relativity, which replaced classical kinematics with a new theory of kinematics compatible with classical electromagnetism. (For more information, see History of special relativity.)

In addition, relativity theory implies that in moving frames of reference, a magnetic field transforms to a field with a nonzero electric component and conversely, a moving electric field transforms to a nonzero magnetic component, thus firmly showing that the phenomena are two sides of the same coin. Hence the term "electromagnetism". (For more information, see Classical electromagnetism and special relativity and Covariant formulation of classical electromagnetism.)

Extension to nonlinear phenomena

Magnetic reconnection in the solar plasma gives rise to solar flares, a complex magnetohydrodynamical phenomenon.

The Maxwell equations are linear, in that a change in the sources (the charges and currents) results in a proportional change of the fields. Nonlinear dynamics can occur when electromagnetic fields couple to matter that follows nonlinear dynamical laws. This is studied, for example, in the subject of magnetohydrodynamics, which combines Maxwell theory with the Navier–Stokes equations.

Quantities and units

Electromagnetic units are part of a system of electrical units based primarily upon the magnetic properties of electric currents, the fundamental SI unit being the ampere. The units are:

In the electromagnetic cgs system, electric current is a fundamental quantity defined via Ampère's law and takes the permeability as a dimensionless quantity (relative permeability) whose value in a vacuum is unity. As a consequence, the square of the speed of light appears explicitly in some of the equations interrelating quantities in this system.

Symbol[11] Name of quantity Unit name Symbol Base units
Q electric charge coulomb C A⋅s
I electric current ampere A A (= W/V = C/s)
J electric current density ampere per square metre A/m2 A⋅m−2
U, ΔV, Δφ; E potential difference; electromotive force volt V J/C = kg⋅m2⋅s−3⋅A−1
R; Z; X electric resistance; impedance; reactance ohm Ω V/A = kg⋅m2⋅s−3⋅A−2
ρ resistivity ohm metre Ω⋅m kg⋅m3⋅s−3⋅A−2
P electric power watt W V⋅A = kg⋅m2⋅s−3
C capacitance farad F C/V = kg−1⋅m−2⋅A2⋅s4
ΦE electric flux volt metre V⋅m kg⋅m3⋅s−3⋅A−1
E electric field strength volt per metre V/m N/C = kg⋅m⋅A−1⋅s−3
D electric displacement field coulomb per square metre C/m2 A⋅s⋅m−2
ε permittivity farad per metre F/m kg−1⋅m−3⋅A2⋅s4
χe electric susceptibility (dimensionless) 1 1
G; Y; B conductance; admittance; susceptance siemens S Ω−1 = kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2
κ, γ, σ conductivity siemens per metre S/m kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B magnetic flux density, magnetic induction tesla T Wb/m2 = kg⋅s−2⋅A−1 = N⋅A−1⋅m−1
Φ, ΦM, ΦB magnetic flux weber Wb V⋅s = kg⋅m2⋅s−2⋅A−1
H magnetic field strength ampere per metre A/m A⋅m−1
L, M inductance henry H Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m2⋅s−2⋅A−2
μ permeability henry per metre H/m kg⋅m⋅s−2⋅A−2
χ magnetic susceptibility (dimensionless) 1 1

Formulas for physical laws of electromagnetism (such as Maxwell's equations) need to be adjusted depending on what system of units one uses. This is because there is no one-to-one correspondence between electromagnetic units in SI and those in CGS, as is the case for mechanical units. Furthermore, within CGS, there are several plausible choices of electromagnetic units, leading to different unit "sub-systems", including Gaussian, "ESU", "EMU", and Heaviside–Lorentz. Among these choices, Gaussian units are the most common today, and in fact the phrase "CGS units" is often used to refer specifically to CGS-Gaussian units.

See also

References

  1. ^ Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentals of applied electromagnetics (6th ed.). Boston: Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.
  2. ^ Darrigol, Olivier (2000). Electrodynamics from Ampère to Einstein. New York: Oxford University Press. ISBN 0198505949.
  3. ^ Martins, Roberto de Andrade. "Romagnosi and Volta's Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity" (PDF). In Fabio Bevilacqua and Lucio Fregonese (eds) (eds.). Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times. vol. 3. Università degli Studi di Pavia. pp. 81–102. Archived from the original (PDF) on 2013-05-30. Retrieved 2010-12-02.CS1 maint: uses editors parameter (link)
  4. ^ VIII. An account of an extraordinary effect of lightning in communicating magnetism. Communicated by Pierce Dod, M.D. F.R.S. from Dr. Cookson of Wakefield in Yorkshire. Phil. Trans. 1735 39, 74-75, published 1 January 1735
  5. ^ Whittaker, E.T. (1910). A History of the Theories of Aether and Electricity from the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century. Longmans, Green and Company.
  6. ^ Browne, "Physics for Engineering and Science," p. 160: "Gravity is one of the fundamental forces of nature. The other forces such as friction, tension, and the normal force are derived from the electric force, another of the fundamental forces. Gravity is a rather weak force... The electric force between two protons is much stronger than the gravitational force between them."
  7. ^ Purcell, "Electricity and Magnetism, 3rd Edition," p. 546: Ch 11 Section 6, "Electron Spin and Magnetic Moment."
  8. ^ Stern, Dr. David P.; Peredo, Mauricio (2001-11-25). "Magnetic Fields – History". NASA Goddard Space Flight Center. Retrieved 2009-11-27.
  9. ^ Purcell, p. 436. Chapter 9.3, "Maxwell's description of the electromagnetic field was essentially complete."
  10. ^ Purcell: p. 278: Chapter 6.1, "Definition of the Magnetic Field." Lorentz force and force equation.
  11. ^ International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. pp. 14–15. Electronic version.

Further reading

Web sources

Textbooks

General references

External links