Электромагнитное поле, возникновение электрических и магнитных сил.
Электромагнитное поле
Представьте двух человек, находящихся в пустоте космоса, которые играют в мяч. Когда первый бросает мяч, он испытывает отдачу, так как передаёт мячу импульс. Точно так же, когда второй ловит мяч, он поглощает этот импульс и также ощущает отдачу.
Обмениваясь мячом, оба человека отталкиваются друг от друга: сначала они были неподвижны, но теперь приходят в движение. Если они продолжат бросать мяч, их скорость будет увеличиваться, и они начнут отдаляться друг от друга всё быстрее. Такое взаимодействие можно рассматривать как силу отталкивания.
Взаимодействие частиц
На квантовом уровне аналогичный процесс происходит между некоторыми частицами, например электронами, которые постоянно обмениваются виртуальными фотонами.
Что такое виртуальный фотон?
Виртуальный фотон — это частица, возникающая согласно законам квантовой физики. Она может появляться из ничего при условии, что исчезнет достаточно быстро, чтобы её невозможно было зафиксировать. Чем больше энергия виртуального фотона, тем короче его "жизнь". И наоборот, чем меньше энергии, тем дальше фотон может "путешествовать".
За счёт обмена виртуальными фотонами электроны испытывают силу отталкивания, схожую с игрой в мяч в космосе.
Электрический заряд
Многие частицы обмениваются виртуальными фотонами, а их способность взаимодействовать таким образом называется электрическим зарядом.
Заряды одного знака отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются. Например:
Электрическое поле
Чтобы учесть все такие взаимодействия, вводится понятие электрического поля. Его можно представить как некую воображаемую ткань, в которой частицы ведут себя по-разному:
Частицы с одинаковыми зарядами избегают области своего цвета, а с противоположными — притягиваются.
Примеры электрического поля:
Магнитная сила
Необычное явление
Представьте провод, состоящий из цепочки протонов и электронов, через который течёт электрический ток. Если неподвижно оставить рядом объект с положительным зарядом, силы притяжения и отталкивания уравновесят друг друга, и объект останется на месте.
Но если объект начать двигать, он внезапно начнёт испытывать загадочную силу, которая проявляется только при движении.
Эта сила, называемая магнитной, зависит от скорости и направления движения.
Магнитное поле
Когда электрический заряд движется, он создаёт вокруг себя магнитное поле.
Электромагнитное поле и уравнения Максвелла
Электрические и магнитные поля тесно связаны и объединяются в одно понятие — электромагнитное поле. Его поведение описывается четырьмя уравнениями Максвелла:
Эти процессы образуют цикл, позволяющий электромагнитной энергии распространяться в виде волн, таких как свет, рентген или микроволны.
Пример: замедление гравитации
Если уронить магнит на катушку провода, его падение вызовет изменение магнитного поля, что создаст электрический ток. Этот ток, в свою очередь, создаст магнитное поле, которое замедлит падение магнита. Таким образом, он будет падать медленнее, словно подвергаясь меньшему воздействию гравитации.
Представьте двух человек, находящихся в пустоте космоса, которые играют в мяч. Когда первый бросает мяч, он испытывает отдачу, так как передаёт мячу импульс. Точно так же, когда второй ловит мяч, он поглощает этот импульс и также ощущает отдачу.
Обмениваясь мячом, оба человека отталкиваются друг от друга: сначала они были неподвижны, но теперь приходят в движение. Если они продолжат бросать мяч, их скорость будет увеличиваться, и они начнут отдаляться друг от друга всё быстрее. Такое взаимодействие можно рассматривать как силу отталкивания.
Взаимодействие частиц
На квантовом уровне аналогичный процесс происходит между некоторыми частицами, например электронами, которые постоянно обмениваются виртуальными фотонами.
Что такое виртуальный фотон?
Виртуальный фотон — это частица, возникающая согласно законам квантовой физики. Она может появляться из ничего при условии, что исчезнет достаточно быстро, чтобы её невозможно было зафиксировать. Чем больше энергия виртуального фотона, тем короче его "жизнь". И наоборот, чем меньше энергии, тем дальше фотон может "путешествовать".
За счёт обмена виртуальными фотонами электроны испытывают силу отталкивания, схожую с игрой в мяч в космосе.
Электрический заряд
Многие частицы обмениваются виртуальными фотонами, а их способность взаимодействовать таким образом называется электрическим зарядом.
- Электрон обладает зарядом -1e.
- Протон имеет положительный заряд +1e.
Заряды одного знака отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются. Например:
- Два электрона отталкиваются.
- Электрон и протон притягиваются, создавая электрическое поле между собой.
Электрическое поле
Чтобы учесть все такие взаимодействия, вводится понятие электрического поля. Его можно представить как некую воображаемую ткань, в которой частицы ведут себя по-разному:
- Электрон (отрицательный заряд) окрашивает поле в синий цвет.
- Протон (положительный заряд) — в красный.
Частицы с одинаковыми зарядами избегают области своего цвета, а с противоположными — притягиваются.
Примеры электрического поля:
- Два электрона создают поле, в котором центральная точка находится в равновесии. Частица, помещённая туда, останется неподвижной.
- Электрон и протон создают поле-притяжение.
- Цепочка электронов и протонов формирует однородное электрическое поле, способное заставить электроны двигаться, создавая электрический ток.
Магнитная сила
Необычное явление
Представьте провод, состоящий из цепочки протонов и электронов, через который течёт электрический ток. Если неподвижно оставить рядом объект с положительным зарядом, силы притяжения и отталкивания уравновесят друг друга, и объект останется на месте.
Но если объект начать двигать, он внезапно начнёт испытывать загадочную силу, которая проявляется только при движении.
Эта сила, называемая магнитной, зависит от скорости и направления движения.
Магнитное поле
Когда электрический заряд движется, он создаёт вокруг себя магнитное поле.
- Особенности:
- Неподвижная частица не чувствует магнитной силы.
- Двигающаяся частица испытывает силу, зависящую от её скорости и направления.
Электромагнитное поле и уравнения Максвелла
Электрические и магнитные поля тесно связаны и объединяются в одно понятие — электромагнитное поле. Его поведение описывается четырьмя уравнениями Максвелла:
- Электрический заряд является источником электрического поля.
- Магнитные монополи не существуют: у каждого магнита есть два полюса.
- Изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, создавая электрический ток.
- Изменение электрического поля вызывает изменение магнитного поля.
Эти процессы образуют цикл, позволяющий электромагнитной энергии распространяться в виде волн, таких как свет, рентген или микроволны.
Пример: замедление гравитации
Если уронить магнит на катушку провода, его падение вызовет изменение магнитного поля, что создаст электрический ток. Этот ток, в свою очередь, создаст магнитное поле, которое замедлит падение магнита. Таким образом, он будет падать медленнее, словно подвергаясь меньшему воздействию гравитации.