Kas ir elektromagnētiskais spēks?

Elektromagnētiskais spēks ir viens no četriem dabas pamatspēkiem. Pārējie trīs ir gravitācijas spēks, spēcīgais kodolspēks un vājais kodolspēks. Spēcīgais kodolspēks ir spēcīgākais no tiem, taču tas darbojas tikai ārkārtīgi nelielā diapazonā. Elektromagnētiskais spēks ir otrs spēcīgākais un, tāpat kā gravitācija, darbojas neierobežotos attālumos.

Apgrieztā kvadrāta likums

Tāpat kā gravitācija, arī elektromagnētiskais spēks ievēro apgriezto kvadrāta likumu. Tas nozīmē, ka spēka spēks ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam no tā avota. Tātad, piemēram, ja kāds attālinās 5 vienības no spēka avota, intensitāte tiek samazināta līdz 1/25.

Pozitīvās un negatīvās maksas

Atšķirībā no gravitācijas, elektromagnētisko spēku izjūt tikai objekti, kuriem ir elektriskais lādiņš, kas var būt pozitīvs vai negatīvs. Objekti ar dažāda veida lādiņiem piesaista viens otru, bet tie, kuriem ir viena veida lādiņi, atgrūž. Tas nozīmē, ka spēks var būt pievilcīgs vai atgrūdošs atkarībā no iesaistītajiem lādiņiem. Tā kā vairumam objektu vairumā gadījumu nav vispārēja elektriskā lādiņa, tie nejūt elektromagnētisko spēku, kas izskaidro, kāpēc gravitācija, kaut arī daudz vājāks spēks, dominē lielos mērogos.

Kad divi dažādi materiāli berzē kopā, elektroni var pārvietoties no viena uz otru, atstājot vienu ar pozitīvu, bet otru ar negatīvu lādiņu. Pēc tam abi piesaistīs viens otru, un tos var piesaistīt elektriski neitrāli objekti. To sauc par statisko elektrību, un to var pierādīt ar dažādiem vienkāršiem eksperimentiem, piemēram, berzējot balonu ar kažokādas gabalu un pielīmējot to pie sienas — to tur notur elektrostatiskā pievilkšanās.

Elektriskā strāva plūst, kad elektroni pārvietojas pa vadu vai citu vadītāju no apgabala ar elektronu pārpalikumu uz vietu, kur ir deficīts. Tiek uzskatīts, ka strāva plūst no negatīvas uz pozitīvu. Vienkāršā ķēdē, kurā izmanto akumulatoru, elektroni plūst no pozitīvās uz negatīvo spaili, kad ķēde ir pabeigta.

Atomu mērogā pievilcība starp pozitīvi lādētiem protoniem kodolā un negatīvi lādētiem elektroniem ārpusē satur atomus kopā un ļauj tiem savstarpēji savienoties, veidojot molekulas un savienojumus. Protonus kodolā notur spēcīgais kodolspēks, kas šajā ārkārtīgi mazajā mērogā pārvar elektromagnētisko atgrūšanos.

Elektromagnētiskie lauki

Elektromagnētisko lauku jēdzienu pirmo reizi izstrādāja zinātnieks Maikls Faradejs 19. gadsimta sākumā. Viņš parādīja, ka elektriski lādēti un magnetizēti objekti var ietekmēt viens otru no attāluma. Piemēram, elektriskā strāva, kas plūst caur stieples spoli, var novirzīt kompasa adatu un izraisīt strāvu citā tuvumā esošajā spolē. Viņš arī parādīja, ka mainīgs magnētiskais lauks var radīt elektrisko strāvu vadā. Tas izveidoja saikni starp elektrību un magnētismu un lauka esamību, kas mainās atkarībā no attāluma, kas ieskauj elektriski lādētus vai magnētiskus objektus.

Vēlāk 19. gadsimtā fiziķis Džeimss Klerks Maksvels izstrādāja virkni vienādojumu, kas izskaidro ne tikai attiecības starp elektrību un magnētismu, bet arī parādīja, ka gaisma ir viļņiem līdzīgs elektromagnētiskā lauka traucējums. Viņš nonāca pie šāda secinājuma, kad viņš aprēķināja ātrumu, ar kādu pārvietojas elektromagnētiskās ietekmes, un konstatēja, ka tas vienmēr ir gaismas ātrums. No tā izrietēja, ka gaisma bija elektromagnētiskā starojuma veids, kas ceļoja kā viļņi. Tas noveda pie klasiskās elektrodinamikas teorijas, kurā elektromagnētisko vilni ģenerē kustīgs elektriskais lādiņš. Stieples spoles kustība magnētiskajā laukā var radīt zemas enerģijas radioviļņus, savukārt enerģiskāka elektronu kustība karstā stieplē var radīt redzamu gaismu.

Kvantu elektrodinamika

Einšteins pētot fotoelektrisko efektu, kurā gaisma var izspiest elektronus no metāla virsmas, atklāja, ka elektromagnētiskais starojums (EMR) var darboties gan kā daļiņas, gan kā viļņi. Šīs daļiņas sauc par fotoniem. Elektroni atomā var iegūt enerģiju, absorbējot fotonu, un zaudēt enerģiju, izstarojot to. Tādā veidā EMR var izskaidrot kā fotonu emisiju, kad elektroni piedzīvo enerģijas līmeņa pazemināšanos.

Saskaņā ar kvantu teoriju visus četrus dabas spēkus var izskaidrot ar daļiņu apmaiņu, piemēram, fotogrāfijas elektromagnētiskā spēka gadījumā. Lai izskaidrotu šo spēku tādā veidā, kas atbilst kvantu teorijai, tika izstrādāta kvantu elektrodinamikas teorija. Ideja ir tāda, ka elektromagnētisko spēku mediē “virtuālie” fotoni, kas pastāv tikai īslaicīgi mijiedarbības laikā starp lādētām daļiņām. Tas izskaidro visas elektromagnētiskās mijiedarbības, un stingra pārbaude ir pierādījusi, ka tā ir ļoti precīza teorija.