Câmpul electromagnetic

Un câmp electromagnetic este un câmp fizic produs de obiecte încărcate electric. Acesta afectează comportamentul obiectelor încărcate în vecinătatea lui. Câmpul electromagnetic se extinde pe tot parcursul spațiului și descrie interacțiunea electromagnetică. Este una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii (celelalte sunt gravitația, interacțiunea slabă și interacțiunea puternică).

Câmpul electromagnetic poate fi privit ca o combinație între un câmp electric și un câmp magnetic. Câmpul electric este produs de sarcini staționare, iar câmpul magnetic prin sarcini în mișcare (curenți); aceste două sunt adesea descrise ca fiind sursele câmpului electromagnetic. Modul în care sarcinile și curenții interacționează cu câmpul electromagnetic este descris de ecuațiile lui Maxwell și de legea forței Lorentz. Forța creată de câmpul electric este mult mai puternică decât forța creată de câmpul magnetic.

Dintr-o perspectivă clasică în istoria electromagnetismului, câmpul electromagnetic poate fi privit ca un câmp neted, continuu, propagat într-o manieră fluctuantă; în timp ce din perspectiva teoriei câmpului cuantic, câmpul este văzut ca fiind cuantificat, fiind compus din particule individuale.

Structura

Câmpul electromagnetic poate fi văzut în două moduri distincte: o structură continuă sau o structură discretă.

Structura continuă

În mod clasic, câmpurile electrice și magnetice sunt considerate a fi produse prin mișcări netede ale obiectelor încărcate. De exemplu, sarcinile oscilante produc câmpuri electrice și magnetice care pot fi văzute într-o manieră „netedă”, continuă, de tip undă. În acest caz, energia este privită ca fiind transferată continuu prin câmpul electromagnetic între oricare două locații. De exemplu, atomii de metal dintr-un emițător radio par să transfere energia continuu. Această viziune este utilă într-o anumită măsură (radiații de joasă frecvență), dar problemele apar la frecvențe înalte.

Structura discretă

Câmpul electromagnetic poate fi gândit într-un mod mai „grosier”. Experimentele arată că, în anumite circumstanțe, transferul de energie electromagnetică este mai bine descris ca fiind realizat sub formă de pachete numite cuante (în acest caz, fotoni) cu o frecvență fixă. Relația lui Planck leagă energia fotonică E a unui foton cu frecvența lui ν prin ecuația:

E = hν

unde h este constanta lui Planck, și ν este frecvența fotonului. Deși optica modernă cuantică ne spune că există și o explicație semi-clasică a efectului fotoelectric – emisia de electroni de pe suprafețele metalice supuse radiației electromagnetice – fotonul a fost istoric (deși nu strict necesar) folosit pentru a explica anumite observații. Se constată că creșterea intensității radiației incidente (atâta timp cât rămâne în regimul liniar) mărește numai numărul de electroni expulzați și nu are aproape niciun efect asupra distribuției de energie a ejecției lor. Doar frecvența radiației este relevantă pentru energia electronilor ejectați.

Această imagine cuantică a câmpului electromagnetic (care îl tratează ca analog cu oscilatoarele armonice) s-a dovedit a fi foarte reușită, dând naștere la electrodinamica cuantică, o teorie cu câmpuri cuantice care descrie interacțiunea radiației electromagnetice cu materia încărcată. De asemenea, dă naștere la optica cuantică, care este diferită de electrodinamica cuantică prin aceea că materia însăși este modelată folosind mecanica cuantică, mai degrabă decât teoria câmpului cuantic.

Dinamica

În trecut, s-a crezut că obiecte încărcate electric produc două tipuri diferite de câmpuri asociate cu proprietatea sarcinii lor. Se produce un câmp electric atunci când sarcina este staționară în raport cu un observator care măsoară proprietățile sarcinii, și se produce un câmp magnetic precum și un câmp electric atunci când sarcina se deplasează, creând un curent electric în raport cu acest observator. De-a lungul timpului, s-a constatat că câmpurile electrice și magnetice sunt mai bine gândite ca două părți ale unui întreg mai cuprinzător – câmpul electromagnetic. Până în 1820, când fizicianul danez H. C. Ørsted a descoperit efectul electricității printr-un fir pe un ac de busolă, electricitatea și magnetismul au fost considerate fenomene care nu au legătură între ele. În 1831, Michael Faraday, unul dintre marii gânditori ai timpului său, a făcut observația importantă potrivit căreia câmpurile magnetice care variază în timp ar putea induce curenți electrici, iar apoi, în 1864, James Clerk Maxwell a publicat faimoasa sa lucrare Teoria dinamică a câmpului electromagnetic.

Odată ce acest câmp electromagnetic a fost produs dintr-o distribuție de sarcină dată, alte obiecte încărcate în acest câmp vor experimenta o forță într-un mod similar ca planetele care experimentează o forță în câmpul gravitațional al soarelui. Dacă aceste alte sarcini și curenți sunt comparabile în raport cu sursele care produc câmpul electromagnetic de mai sus, se va produce un nou câmp electromagnetic net. Astfel, câmpul electromagnetic poate fi privit ca o entitate dinamică care determină mișcarea altor sarcini și curenți și care este de asemenea afectată de acestea. Aceste interacțiuni sunt descrise de ecuațiile lui Maxwell și de legea forței Lorentz.

Comportamentul reciproc al câmpurilor electrice și magnetice

Cele două ecuații Maxwell, Legea lui Faraday și Legea Amper-Maxwell ilustrează o caracteristică foarte practică a câmpului electromagnetic. Legea lui Faraday poate fi declarată aproximativ ca „un câmp magnetic în schimbare creează un câmp electric”. Acesta este principiul din spatele generatorului electric.

Legea lui Ampere arată că „un câmp electric în schimbare creează un câmp magnetic”. Astfel, această lege poate fi aplicată pentru a genera un câmp magnetic și a pune în mișcare un motor electric.