האלקטרומגנטיות היא כוח של רוב חשוב, שכן יחד עם הגרעיני הגרעיני חלש הכביד, החזק היא חלק מכוחות היסוד של היקום, אשר הם אלה שאי אפשר להסביר במונחים של כוחות בסיסיים יותר. כוח זה משפיע רק על גופים הטעונים בחשמל, והוא אחראי לתמורות הכימיות והפיזיקליות של אטומים ומולקולות. אלקטרומגנטיות קיימת על בסיס יומיומי, הן בתופעות טבעיות והן בתופעות מלאכותיות.
מה זה אלקטרומגנטיות
תוכן עניינים
כאשר מדברים על המונח אלקטרומגנטיות בפיזיקה, הכוונה היא לצירוף של תופעות חשמליות ומגנטיות, כמו גם לאינטראקציה של שני הכוחות. יש לכך השפעה על נוזלים, גזים ומוצקים.
בטבע, אלקטרומגנטיות יש נוכחות תופעות כגון גלי רדיו מן שביל החלב, קרינת אינפרא אדום מגופים בטמפרטורת חדר, אור, קרינת אולטרה סגולה נגזרה השמש, קרינת גמא, האורות הצפוניים אוסטרלים, בין היתר.
מצד שני, היישום של אלקטרומגנטיות בחיי היומיום הוא מגוון. כך הוא המקרה של המצפן, שתנועת המחטים נוצרת על ידי העקרונות המגנטיים הקוטביים והחשמליים על ידי האינטראקציה של המנגנון והחיכוך שמקורם. הפעמון, הגיטרה החשמלית, המנוע החשמלי, שנאים, מיקרוגל, כונני עט, מיקרופונים, מטוסים, מצלמות דיגיטליות, טלפונים סלולריים, מדחומים, צלחות, מכונות אולטרסאונד, מודמים, טומוגרפיות, הם מהאובייקטים הידועים ביותר בהם תופעה זו מתרחשת. וזה, ביישומים מעשיים, מדגים מהי אלקטרומגנטיות.
מהו השדה האלקטרומגנטי
זהו שדה חושי פיזי שבו חלקיקים חשמליים המיוצרים על ידי גופים או אובייקטים טעונים חשמליים מתקשרים. בתחום זה ישנה כמות של אנרגיה אלקטרומגנטית. אך כדי להבין טוב יותר את המושג, חשוב להבין כיצד ומדוע נוצרים השדה החשמלי והשדה המגנטי.
השדה החשמלי מתרחש כאשר ישנם הבדלי מתח וככל שהמתח גבוה יותר, כך השדה גדול יותר. זהו, אם כן, המרחב בו פועלים כוחות חשמליים. הכרת היקף השדה החשמלי תאפשר לדעת את רמת העוצמה ומה קורה עם מטען בחלק מסוים של השדה, ללא קשר לאי ידיעה מה גורם לכך.
מצדו השדה המגנטי מקורו בזרמים חשמליים וככל שהזרם גדול יותר כך השדה גדול יותר. זו התסיסה שהמגנט מייצר באזור סביבו, כיצד הוא משפיע עליו ובאיזה כיוון. הוא מיוצג על ידי קווי שדה העוברים מהחלק החיצוני של הקוטב הצפוני לקוטב הדרומי של המגנט, ובתוך הקוטב הדרומי לקוטב הצפוני. הקווים האמורים לעולם לא יצטלבו, ולכן הם נפרדים זה מזה וממגנט, מקבילים ומשיקים לכיוון השדה בנקודות.
מהו הספקטרום האלקטרומגנטי
זהו מערך האנרגיות האלקטרומגנטיות של הגלים, כלומר כל הקרינה האלקטרומגנטית הנעה בין אלו עם אורך גל קצר יותר (צילומי רנטגן, קרני גמא), קרינה אולטרה סגולה, אור וקרינת אינפרא אדום, לאלה של יותר אורך (גלי רדיו).
הספקטרום של אובייקט או נוזל יהיה ההתפלגות האופיינית לקרינה האלקטרומגנטית שלו. קיימת תיאוריה לפיה מגבלת אורך הגל הקצר ביותר היא אורך פלאנק בערך (מדד של אורך תת-אטומי) והגבול העליון העליון של אורך הגל הארוך הוא גודל היקום עצמו, למרות שהספקטרום הוא רציף ואינסופי.
משוואות מקסוול
ג'יימס מקסוול הצליח לנסח את התיאוריה האלקטרומגנטית, כולל חשמל, מגנטיות ואור כביטויים שונים של אותה תופעה. השערה זו שפיתח הפיזיקאי נקראה התיאוריה הקלאסית של קרינה אלקטרומגנטית.
מאז ימי קדם, מדענים ואנשים צפו בתופעות אלקטרומגנטיות מוקסמות, כגון אלקטרוסטטיקה, מגנטיות וביטויים אחרים בתחום זה, אך רק במאה ה -19, בזכות עבודתם של מדענים שונים, הם הצליחו להסביר חלק מהחתיכות שהרכיבו את חידת האלקטרומגנטיות כפי שהיא מכונה כיום.
זה היה מקסוול שאיחד את כולם בארבע משוואות: חוק גאוס, חוק גאוס עבור השדה המגנטי, חוק פאראדיי וחוק האמפר הכללי, שעזרו להגדיר מהו אלקטרומגנטיות.
1. חוק גאוס: מתאר כיצד מטענים משפיעים על השדה החשמלי וקובע כי מטענים אלו הם מקורות לשדה חשמלי כל עוד הם חיוביים, או שוקעים ממנו אם הם שליליים. מכאן שכמו מטענים נוטים להדוף זה את זה ומטענים שונים נוטים למשוך זה את זה. חוק זה קובע גם כי השדה החשמלי ייחלש עם המרחק תחת החוק הריבועי ההפוך (העוצמה פרופורציונאלית הפוכה לריבוע המרחק ממרכז המוצא), ומעניק לו תכונות גיאומטריות.
2. חוק המגנט של גאוס: קובע כי לא קיימים מקורות ולא כיורים בתוך השדה המגנטי, ולכן אין מטענים מגנטיים. בהיעדר מקורות וכיורים, שדות מגנטיים הנוצרים על ידי עצמים חייבים להיסגר על עצמם. לכן, אם מגנט היה מחולק לשניים, השדה המגנטי ייסגר באזור בו נחתך, ולכן ייווצרו שני מגנטים עם שני קטבים כל אחד. זה מצביע על כך שמונופולים עלי אדמות יהיו בלתי אפשריים.
3. חוק פאראדיי: אומר שאם שדה מגנטי ישתנה לאורך זמן, זה יפעיל אותו על ידי סגירה. אם הוא גדל, השדה החשמלי יהיה מכוון בכיוון השעון, ואם הוא יקטן, הוא יופנה בכיוון ההפוך. אז נכון שלא רק המטענים והמגנטים יכולים להשפיע על השדות, אלא גם זה על זה, בשני הכיוונים.
במסגרת חוק זה נצפית אינדוקציה אלקטרומגנטית, שהיא ייצור זרמים חשמליים על ידי שדות מגנטיים המשתנים עם הזמן. תופעה זו מייצרת כוח או מתח אלקטרומטר בגוף החשוף לשדה מגנטי, וכפי שהאובייקט האמור מוליך, נוצר הזרם המושרה.
4. חוק אמפר: מסביר ששדה חשמלי עם מטענים נעים (זרם חשמלי) מפעיל את השדה המגנטי על ידי סגירה. זרם חשמלי שימושי מאוד, מכיוון שאיתו ניתן ליצור מגנטים מלאכותיים, על ידי העברת האלמנט האמור דרך סליל, ובעל שדה מגנטי, הגורם שככל שעוצמת הזרם גדולה יותר, כך העוצמה תוגבר. עוצמת השדה המגנטי. סוג זה של מגנט נקרא אלקטרומגנט, ורוב השדות המגנטיים על פני כדור הארץ נוצרים בדרך זו.
ענפי אלקטרומגנטיות
כדי להבין היטב מהי אלקטרומגנטיות, יש להבין את הביטויים השונים בתופעות אלקטרומגנטיות אלו: אלקטרוסטטיקה, מגנטוסטטיקה, אלקטרודינמיקה ומגנטיות.
אלקטרוסטטיקה
אלקטרוסטטיקה מתייחסת לחקר תופעות אלקטרומגנטיות שמקורן בגופים טעונים חשמליים (יש לה עודף - מטען חיובי - או חסר - מטען שלילי - של אלקטרונים באטומים המרכיבים אותו) במנוחה.
ידוע שאם לאובייקטים הטעונים חשמל יש עודפי אלקטרונים באטומים המרכיבים אותם, אז יהיה להם מטען חיובי, והם יהיו בעלי מטען שלילי כאשר הם חסרים.
גופים אלה מפעילים כוחות זה על זה. כאשר אובייקט טעון נתון לשדה השייך לאובייקט טעון אחר, הוא יהיה כפוף לכוח שניתן ביחס לגודל המטען שלו ולשדה במיקומו. הקוטביות של המטען תחליט אם הכוח יהיה מושך (כשהם שונים) או דוחה (כשהם זהים). אלקטרוסטטיקה שימושית לחקר ותצפית על סערות חשמל.
המגנטיות
זו התופעה בה גופים מושכים זה את זה או דוחים אותם בהתאם לסוג המטען שיש להם. כל החומרים הקיימים יושפעו פחות או יותר בהתאם להרכבם, אך המגנט היחיד הידוע בטבע הוא מגנטיט (שהוא מינרל המורכב משני תחמוצות ברזל ובעל התכונה למשוך ברזל, פלדה וגופים אחרים).
למגנטים שני אזורים בהם הכוחות מתבטאים בעוצמה רבה יותר, הנמצאים בקצותיהם ונקראים קטבים מגנטיים (צפון ודרום).
המאפיין הבסיסי של האינטראקציה בין מגנטים הוא שקטבים הדומים להם דוחים זה את זה, בעוד שהשונים מושכים. זאת מכיוון שהשפעה זו קשורה לקווי השדה המגנטי (מהקוטב הצפוני לדרום), וכאשר שני ניגודים מתקרבים, הקווים קופצים מקוטב אחד למשנהו (נצמדים), השפעה זו תפחת ככל שהמרחק בין השניים גדול יותר; כאשר שני קטבים שווים מתקרבים, הקווים מתחילים להידחס לכיוון אותו מוט, ואם הם נדחסים, הקווים מתרחבים, כך ששני המגנטים לא יכולים להתקרב ולהדוף זה את זה.
אלקטרודינמיקה
הוא חוקר את התופעות האלקטרומגנטיות של גופים טעונים בתנועה ושל שדות חשמליים ומגנטיים משתנים. בתוכה יש שלוש חלוקות משנה: הקלאסית, היחסית והקוונטית.
- הקלאסיקה כוללת השפעות אחרות, כגון אינדוקציה וקרינה אלקטרומגנטית, מגנטיות, ואינדוקציה ומנוע חשמלי.
- הרלטיביסט קובע כי כאשר צופה נעה ממסגרת הייחוס שלו, הוא ימדוד השפעות חשמליות ומגנטיות שונות של אותה תופעה, מכיוון שלא השדה החשמלי וגם האינדוקציה המגנטית אינם מתנהגים כגדלים פיזיים וקטוריים.
- קוונטום מתאר את האינטראקציה בין בוזונים (חלקיקים הנושאים את האינטראקציה) לבין פרמיונים (חלקיקים הנושאים חומר), ומשמש להסבר מבנים אטומיים וקשרים בין מולקולות מורכבות.
מגנטוסטטיקה
זהו חקר התופעות הפיזיקליות בהן שדות מגנטיים קבועים מתערבים בזמן, כלומר נוצרו על ידי זרמים נייחים. זה כולל את המשיכה שיש למגנט ולאלקטרומגנט על ברזל ומתכות שונות. התופעות המיוצרות באזור זה מאופיינות ביצירת שדה מגנטי סביב הגוף הממוגנט המאבד עוצמה עם המרחק.
מהם גלים אלקטרומגנטיים
הם גלים שאינם זקוקים למדיום חומרי לצורך התפשטותם, כך שהם יכולים לנוע דרך ואקום ובמהירות קבועה של 299,792 קילומטר לשנייה. כמה דוגמאות לסוגים אלה של גלים הם אור, מיקרוגל, צילומי רנטגן ושידורי טלוויזיה ורדיו.
קרינות הספקטרום האלקטרומגנטי מציגות עקיפה (סטייה בעת השגת אובייקט אטום) והפרעות (סופרפוזיציה של גלים), שהם המאפיינים האופייניים לתנועת גל.
ליישום של גלים אלקטרומגנטיים הייתה השפעה חזקה על עולם הטלקומוניקציה בכך שהיא מאפשרת תקשורת אלחוטית באמצעות גלי רדיו.
מהי קרינה אלקטרומגנטית
זהו התפשטות החלקיקים החשמליים והמגנטיים המתנדנדים, ושם כל אחד מהם מייצר שדה (חשמלי ומגנטי). מקור קרינה זו הוא גלים שיכולים להתפשט דרך אוויר ואקום: גלים אלקטרומגנטיים.
