Vad är elektromagnetism? Definition, grundprinciper och tillämpningar

Den elektromagnetiska kraften kommer från något som kallas ett elektromagnetiskt fält. Inom fysiken är ett fält det sätt på vilket vi håller reda på saker som kan förändras i tid och rum. Det är som en uppsättning etiketter för varje punkt i rummet. Lufttemperaturen i ett rum kan till exempel beskrivas av ett fält, där etiketterna bara är siffror som anger hur varmt det är på den punkten i rummet. Vi skulle också kunna ha mer komplicerade etiketter. På en karta över vindhastigheter skulle etiketten kunna vara en siffra som säger hur stark vinden är och även en pil som säger åt vilket håll den blåser. Vi kallar detta för ett vektorfält eftersom varje etikett är en vektor - den har en riktning (pilen) och en storlek (dess styrka).

Elektriska och magnetiska fält är också fält. Istället för att hålla reda på temperatur eller vindhastighet talar de om för oss hur mycket en laddad partikel kommer att känna av en tryck- eller dragkraft på den punkten i rymden, och i vilken riktning den kommer att tryckas. Liksom vindhastigheter är elektriska fält också vektorfält, så de kan ritas som pilar. Pilarna visar åt vilket håll en positiv partikel, som en proton, kommer att skjutas om den befinner sig i fältet. Negativa partiklar, som elektroner, kommer att gå i motsatt riktning som pilarna. I ett elektriskt fält kommer pilarna att peka bort från positiva partiklar och mot negativa partiklar. Så en proton i ett elektriskt fält skulle röra sig bort från en annan proton eller mot en elektron. Likartade laddningar stöter bort (skjuts bort från varandra), medan motsatta laddningar attraherar (dras ihop).

Magnetfält är lite annorlunda. De trycker bara på laddningar som rör sig, och de trycker mer på laddningar som rör sig snabbare. Men de trycker inte alls på laddningar som står stilla. Ett föränderligt magnetfält kan dock ge upphov till ett elektriskt fält, och ett elektriskt fält kan trycka på vilka laddningar som helst. Denna idé, som kallas elektromagnetisk induktion, används för att få elektriska generatorer, induktionsmotorer och transformatorer att fungera. Tillsammans utgör elektriska och magnetiska fält det elektromagnetiska fältet.

Fram till 1800-talet trodde man att elektricitet och magnetism var två olika saker. Detta ändrades dock när forskare som Hans Christian Ørsted och Michael Faraday bevisade att elektricitet och magnetism faktiskt hänger ihop. År 1820 upptäckte Ørsted att när han satte på och stängde av den elektriska strömmen från ett batteri flyttade den nålen på en närliggande kompass. När han studerade denna effekt noggrannare upptäckte han att den elektriska strömmen producerade ett magnetfält. Det vill säga, när elektriska laddningar rör sig kan de skapa en kraft som trycker på magneter. Ørsted hade hittat ett av de första sambanden mellan elektricitet och magnetism.

Faraday fortsatte att studera sambandet och utförde tester med trådslingor och magneter. Han upptäckte att om han satte upp två trådslingor och lät elektricitet gå genom bara en av dem, kunde han (under en kort tid) skapa en elektrisk ström även i den andra slingan. Faraday upptäckte också att han kunde producera en ström genom att flytta en magnet genom en trådslinga eller genom att flytta tråden över en magnet. Faraday hade visat att magneter kan trycka tillbaka på elektriska laddningar i rörelse och att magneter i rörelse kan trycka på laddningar som står stilla. Detta liknade vad Ørsted hade funnit, men i omvänd ordning.

1873 sammanfattade James Clerk Maxwell dessa samband i sin teori om "klassisk elektromagnetism", dvs. elektricitet och magnetism tillsammans. Teorin byggde på en uppsättning fyra ekvationer som kallas Maxwells ekvationer och Lorentz kraftlag. Maxwells ekvationer berättade hur elektricitet och magnetism kan kopplas samman. De sade att laddningar som står stilla kan trycka på andra laddningar, men att laddningar i rörelse kan skapa magnetfält som trycker på magneter. Å andra sidan kan magneter som står stilla bara trycka på rörliga laddningar, men rörliga magneter kan trycka på alla elektriska laddningar.

Dessutom visade Maxwells studier att ljuset kan beskrivas som en krusning i det elektromagnetiska fältet. Det vill säga, ljuset rör sig som en våg. Maxwells arbete stämde dock inte överens med den klassiska mekaniken, den beskrivning av krafter och rörelse som ursprungligen utvecklades av Newton. Maxwells ekvationer förutsade att ljuset alltid rör sig genom tom rymd med samma hastighet. Detta var ett problem eftersom hastigheter i den klassiska mekaniken är "additiva" - om en person A på ett tåg som rör sig med hastigheten X kastar en boll med hastigheten Y, ser en person B på marken bollen röra sig med hastigheten X+Y. Om person A tänder en ficklampa kommer han enligt Maxwell att se ljuset röra sig bort från honom med hastigheten c. Men person B på marken måste också se ljuset röra sig med hastigheten c, inte c+X. Detta ledde till att Einstein utvecklade den speciella relativitetsteorin, som förklarade hur ljusets hastighet kan vara densamma för alla och varför den klassiska mekaniken inte fungerar för saker som rör sig mycket snabbt.

Problem inom den klassiska elektromagnetismen

Albert Einsteins arbete med den fotoelektriska effekten och Max Plancks arbete med svartkroppsstrålning stämde inte överens med den traditionella synen på ljus som en kontinuerlig våg. Detta problem skulle lösas efter utvecklingen av kvantmekaniken 1925. Denna utveckling ledde till utvecklingen av kvantelektrodynamiken som utvecklades av Richard Feynman och Julian Schwinger. Kvantelektrodynamiken kunde beskriva interaktionspartiklarna i detalj.

Elektromagnetisk strålning anses vara både en partikel och en våg. Detta beror på att den ibland beter sig som en partikel och ibland som en våg. För att göra det enklare kan vi tänka oss en elektromagnetisk våg som en ström av fotoner (symbol γ).

Fotoner

En foton är en elementarpartikel, vilket innebär att den inte kan delas upp i mindre partiklar. Det är den partikel som ljuset består av. Fotoner utgör också alla andra typer av elektromagnetisk strålning, t.ex. gammastrålar, röntgenstrålar och UV-strålar. Idén om fotoner kom till av Einstein. Med hjälp av sin teori om den fotoelektriska effekten sade Einstein att ljuset existerar i små "paket" eller paket som han kallade fotoner.

Fotoner har energi och rörelsemängd. När två laddade föremål trycker eller drar på varandra skickar de fotoner fram och tillbaka. Fotonerna bär alltså den elektromagnetiska kraften mellan laddade objekt. Fotoner kallas också för budbärarpartiklar inom fysiken eftersom dessa partiklar ofta bär budskap mellan objekt. Fotoner skickar meddelanden som säger "kom närmare" eller "gå bort" beroende på laddningarna hos de objekt som betraktas. Om en kraft existerar medan tiden går, så utbyts fotoner under den tiden.

Grundläggande elektromagnetiska interaktioner uppstår mellan två partiklar som har en elektrisk laddning. Dessa interaktioner innebär utbyte eller produktion av fotoner. Fotoner är således bärpartiklar för elektromagnetiska interaktioner.

Elektromagnetiska sönderfallsprocesser kan ofta kännas igen på att de producerar en eller flera fotoner (även kallade gammastrålar). De går mindre snabbt än starka sönderfallsprocesser med jämförbara massdifferenser, men snabbare än jämförbara svaga sönderfall.