สนามแม่เหล็กไฟฟ้า
สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (ยังEM ฟิลด์ ) เป็นคลาสสิก (คือไม่ใช่ควอนตัม) ข้อมูลการผลิตด้วยการเร่งค่าใช้จ่ายไฟฟ้า [1]มันเป็นสนามอธิบายโดยไฟฟ้ากระแสคลาสสิกและเป็นคู่คลาสสิกกับเมตริกซ์ฟิลด์ไทแม่เหล็กไฟฟ้าในไฟฟ้ากระแสควอนตัม สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายด้วยความเร็วแสง (อันที่จริงสนามนี้สามารถระบุได้ว่าเป็นแสง) และทำปฏิกิริยากับประจุและกระแส ควอนตัมของมันเป็นหนึ่งในสี่ของพลังพื้นฐานของธรรมชาติ (ส่วนอื่น ๆ คือความโน้มถ่วง, อ่อนแอปฏิสัมพันธ์และการมีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง .)
สนามสามารถมองได้ว่าการรวมกันของนั้นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้าเกิดจากประจุนิ่งและสนามแม่เหล็กโดยประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ (กระแส) ทั้งสองนี้มักถูกอธิบายว่าเป็นแหล่งที่มาของสนาม วิธีการที่ค่าใช้จ่ายและกระแสโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการอธิบายโดยสมการของแมกซ์เวลล์และกฎหมาย Lorentz บังคับ [2]แรงที่สร้างขึ้นโดยสนามไฟฟ้านั้นแรงกว่าแรงที่สร้างโดยสนามแม่เหล็กมาก [3]
จากคลาสสิกมุมมองในประวัติศาสตร์ของแม่เหล็กไฟฟ้า , สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถถือได้ว่าเป็นไปอย่างราบรื่นต่อเนื่องฟิลด์ , แพร่กระจายในลักษณะ wavelike ในทางตรงกันข้ามจากมุมมองของทฤษฎีสนามควอนตัมสนามนี้ถูกมองว่าเป็นเชิงปริมาณ หมายความว่าเขตข้อมูลควอนตัมอิสระ (เช่นเขตข้อมูลที่ไม่โต้ตอบ) สามารถแสดงเป็นผลรวมของการสร้างฟูริเยร์และตัวดำเนินการทำลายล้างในพื้นที่โมเมนตัมพลังงานในขณะที่ผลกระทบของสนามควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์อาจได้รับการวิเคราะห์ในทฤษฎีการก่อกวนผ่านS-matrixด้วย ความช่วยเหลือของโฮสต์ทั้งหมดของเทคโนโลยีทางคณิตศาสตร์เช่นชุด Dyson , ทฤษฎีบทของวิค , ฟังก์ชันสหสัมพันธ์ , ตัวดำเนินการวิวัฒนาการเวลา , แผนภาพไฟน์แมนเป็นต้นโปรดทราบว่าเขตข้อมูลเชิงปริมาณยังคงมีความต่อเนื่องเชิงพื้นที่ ของรัฐพลังงานอย่างไรก็ตามไม่ต่อเนื่อง (รัฐพลังงานของฟิลด์ต้องไม่สับสนกับค่าพลังงานซึ่งมีอย่างต่อเนื่องสนามควอนตัมของผู้ประกอบการสร้างสร้างหลายต่อเนื่องรัฐของพลังงานที่เรียกว่าโฟตอน .)
โครงสร้าง
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าอาจมองได้ในสองลักษณะที่แตกต่างกันคือโครงสร้างต่อเนื่องหรือโครงสร้างที่ไม่ต่อเนื่อง
โครงสร้างต่อเนื่อง
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแบบคลาสสิกถูกคิดว่าเกิดจากการเคลื่อนที่อย่างราบรื่นของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นประจุไฟฟ้าที่สั่นจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กรูปแบบต่างๆซึ่งอาจดูเป็นรูปแบบที่ 'เรียบ' ต่อเนื่องกันเป็นคลื่น ในกรณีนี้พลังงานถูกมองว่ามีการถ่ายเทอย่างต่อเนื่องผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างสองสถานที่ใด ๆ ตัวอย่างเช่นอะตอมของโลหะในเครื่องส่งวิทยุ ดูเหมือนจะถ่ายเทพลังงานอย่างต่อเนื่อง มุมมองนี้มีประโยชน์ในระดับหนึ่ง (การแผ่รังสีความถี่ต่ำ) อย่างไรก็ตามพบปัญหาที่ความถี่สูง (ดูภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต ) [4]
โครงสร้างไม่ต่อเนื่อง
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าอาจถูกคิดในลักษณะที่ 'หยาบกว่า' การทดลองแสดงให้เห็นว่าในบางสถานการณ์การถ่ายโอนพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการอธิบายที่ดีกว่ากับการดำเนินการในรูปแบบของแพ็กเก็ตที่เรียกว่าควอนตั้ม (ในกรณีนี้, โฟตอน ) โดยมีการแก้ไขความถี่ ความสัมพันธ์ของพลังค์เชื่อมโยงพลังงานโฟตอน Eของโฟตอนกับความถี่ f ผ่านสมการ: [5]
โดยที่hคือค่าคงที่ของพลังค์และfคือความถี่ของโฟตอน แม้ว่าเลนส์ควอนตัมสมัยใหม่จะบอกเราว่ายังมีคำอธิบายกึ่งคลาสสิกเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกนั่นคือการปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวโลหะที่ถูกรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโฟตอนเคยใช้ในการอธิบายข้อสังเกตบางประการ พบว่าการเพิ่มความเข้มของรังสีตกกระทบ (ตราบใดที่รังสียังคงอยู่ในระบบเส้นตรง) จะเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนที่ขับออกมาเท่านั้นและแทบจะไม่มีผลต่อการกระจายพลังงานของการดีดออก เฉพาะความถี่ของการแผ่รังสีเท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมา
นี้ควอนตัมภาพของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (ซึ่งถือว่าเป็นคล้ายกับoscillators ฮาร์โมนิ ) ได้พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จมากให้สูงขึ้นเพื่อไฟฟ้ากระแสควอนตัมเป็นทฤษฎีสนามควอนตัมอธิบายปฏิสัมพันธ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับเรื่องการเรียกเก็บเงิน นอกจากนี้ยังก่อให้เกิดเลนส์ควอนตัมซึ่งแตกต่างจากกระแสไฟฟ้าควอนตัมตรงที่สสารนั้นถูกจำลองขึ้นโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัมมากกว่าทฤษฎีสนามควอนตัม
พลวัต
ในอดีตวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าถูกคิดว่าจะสร้างสนามสองประเภทที่แตกต่างกันและไม่เกี่ยวข้องกันซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของประจุของพวกมัน สนามไฟฟ้าที่ผลิตเมื่อค่าใช้จ่ายนิ่งด้วยความเคารพต่อผู้สังเกตการณ์การวัดคุณสมบัติของค่าใช้จ่ายที่และสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกับสนามไฟฟ้าที่ผลิตเมื่อย้ายค่าใช้จ่ายในการสร้างกระแสไฟฟ้าที่เกี่ยวกับการสังเกตการณ์นี้ เมื่อเวลาผ่านไปพบว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นสองส่วนที่ดีกว่าคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จนกระทั่งปีค. ศ. 1820 เมื่อHC Ørstedนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กแสดงผลของกระแสไฟฟ้าบนเข็มของเข็มทิศไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกมองว่าเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกัน [6]ใน 1,831, ไมเคิลฟาราเดย์ทำน้ำเชื้อสังเกตว่าเวลาที่แตกต่างกันสนามแม่เหล็กสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าจากนั้นใน 1864 เจมส์ Clerk Maxwellตีพิมพ์กระดาษที่มีชื่อเสียงของเขาพลังทฤษฎีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า [7]
เมื่อเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากการกระจายประจุที่กำหนดวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าหรือแม่เหล็กอื่น ๆ ในสนามนี้อาจได้รับแรง หากประจุและกระแสอื่น ๆ เหล่านี้มีขนาดเทียบเคียงได้กับแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าข้างต้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิใหม่จะถูกสร้างขึ้น ดังนั้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอาจถูกมองว่าเป็นเอนทิตีแบบไดนามิกที่ทำให้ประจุและกระแสอื่น ๆ เคลื่อนที่และได้รับผลกระทบจากพวกมันด้วย ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้จะอธิบายโดยสมการของแมกซ์เวลล์และกฎหมาย Lorentz บังคับ การสนทนานี้ไม่สนใจแรงปฏิกิริยารังสี
ลูปข้อเสนอแนะ
พฤติกรรมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสี่ส่วนต่างๆของลูป: [8]
- สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า
- สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
- สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสร้างแรงจากประจุไฟฟ้า
- ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในอวกาศ
ความเข้าใจผิดทั่วไปคือ (ก) ควอนต้าของสนามทำหน้าที่ในลักษณะเดียวกับ (ข) อนุภาคที่มีประจุเช่นอิเล็กตรอนที่สร้างฟิลด์ ในโลกประจำวันของเราอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้า ๆ ผ่านตัวนำด้วยความเร็วดริฟต์เศษของเซนติเมตร (หรือนิ้ว) ต่อวินาทีและผ่านท่อสุญญากาศด้วยความเร็วประมาณ 1 พันกม. / วินาที[9]แต่สนามจะแพร่กระจายด้วยความเร็ว ของแสงประมาณ 300,000 กิโลเมตร (หรือ 186,000 ไมล์) ต่อวินาที อัตราส่วนความเร็วระหว่างอนุภาคที่มีประจุในตัวนำและควอนต้าสนามอยู่ในลำดับหนึ่งถึงล้าน สมการของแมกซ์เวลล์เกี่ยวข้องกับ (a) การปรากฏตัวและการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุกับ (b) การสร้างสนาม จากนั้นฟิลด์เหล่านั้นจะส่งผลต่อแรงเปิดและจากนั้นสามารถเคลื่อนย้ายอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอื่น ๆ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงสัมพัทธภาพใกล้ความเร็วในการแพร่กระจายสนาม แต่ดังที่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์แสดงให้เห็น[ จำเป็นต้องอ้างอิง ] สิ่งนี้ต้องใช้พลังงานภาคสนามมหาศาลซึ่งไม่มีอยู่ในประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเราด้วยไฟฟ้าแม่เหล็กสสารและเวลาและอวกาศ
ลูปข้อเสนอแนะสามารถสรุปได้ในรายการรวมถึงปรากฏการณ์ที่เป็นของแต่ละส่วนของลูป: [ ต้องการอ้างอิง ]
- อนุภาคที่มีประจุจะสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
- ฟิลด์โต้ตอบซึ่งกันและกัน
- การเปลี่ยนสนามไฟฟ้าทำหน้าที่เหมือนกระแสสร้าง 'กระแสน้ำวน' ของสนามแม่เหล็ก
- การเหนี่ยวนำฟาราเดย์ : การเปลี่ยนสนามแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสน้ำวน (ลบ) ของสนามไฟฟ้า
- กฎของ Lenz : กระแสตอบรับเชิงลบระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
- ฟิลด์กระทำกับอนุภาค
- แรงลอเรนซ์: แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- แรงเคลื่อนไฟฟ้า: ทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้า
- แรงแม่เหล็ก: ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กและความเร็วของประจุ
- แรงลอเรนซ์: แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่
- กระแสคือการเคลื่อนที่ของอนุภาค
- อนุภาคที่มีประจุจะสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมากขึ้น วงจรซ้ำ
คำอธิบายทางคณิตศาสตร์
มีวิธีทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันในการแสดงสนามแม่เหล็กไฟฟ้า คนแรกที่เข้ามาดูสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นสามมิติเวกเตอร์ฟิลด์ ฟิลด์เวกเตอร์เหล่านี้แต่ละฟิลด์มีค่าที่กำหนดไว้ทุกจุดของพื้นที่และเวลาดังนั้นจึงมักถูกมองว่าเป็นฟังก์ชันของพิกัดอวกาศและเวลา ดังนั้นจึงมักเขียนเป็นE (x, y, z, t) ( สนามไฟฟ้า ) และB (x, y, z, t) ( สนามแม่เหล็ก )
ถ้าเพียง แต่สนามไฟฟ้า ( E ) เป็นที่ไม่ใช่ศูนย์และเป็นค่าคงที่ในเวลาที่ข้อมูลมีการกล่าวถึงเป็นสนามไฟฟ้าสถิต ในทำนองเดียวกันถ้าเพียงสนามแม่เหล็ก ( B ) เป็นที่ไม่ใช่ศูนย์และเป็นค่าคงที่ในเวลาที่ข้อมูลมีการกล่าวถึงเป็นข้อมูล magnetostatic แต่ถ้าทั้งสนามไฟฟ้าหรือแม่เหล็กมีเวลาการพึ่งพาอาศัยกันแล้วทั้งสองสาขาที่จะต้องพิจารณาร่วมกันเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคู่โดยใช้สมการของแมกซ์เวลล์ [10]
กับการถือกำเนิดของสัมพัทธภาพพิเศษ , กฎหมายทางกายภาพกลายเป็นความเสี่ยงที่จะเป็นพิธีของเทนเซอร์ สมการของแมกซ์เวลล์สามารถเขียนในรูปแบบเทนเซอร์ซึ่งโดยทั่วไปนักฟิสิกส์มองว่าเป็นวิธีการที่สวยงามกว่าในการแสดงกฎทางกายภาพ
พฤติกรรมของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่ว่าจะเป็นในกรณีของไฟฟ้าสถิตสนามแม่เหล็กหรือพลศาสตร์ไฟฟ้า (สนามแม่เหล็กไฟฟ้า) ถูกควบคุมโดยสมการของแมกซ์เวลล์ ในความเป็นทางการของฟิลด์เวกเตอร์มีดังนี้:
- ( กฎของเกาส์ )
- ( กฎของเกาส์สำหรับแม่เหล็ก )
- ( กฎของฟาราเดย์ )
- ( กฎหมาย Maxwell – Ampère )
ที่ไหน คือความหนาแน่นของประจุซึ่งสามารถ (และมักจะทำ) ขึ้นอยู่กับเวลาและตำแหน่ง คือการอนุญาตของพื้นที่ว่างคือความสามารถในการซึมผ่านของพื้นที่ว่างและJคือเวกเตอร์ความหนาแน่นกระแสรวมถึงฟังก์ชันของเวลาและตำแหน่ง หน่วยที่ใช้ข้างต้นเป็นหน่วย SI มาตรฐาน ภายในวัสดุเชิงเส้นสมการของ Maxwell จะเปลี่ยนไปโดยการเปลี่ยนความสามารถในการซึมผ่านและการอนุญาตของพื้นที่ว่างด้วยความสามารถในการซึมผ่านและการอนุญาตของวัสดุเชิงเส้นที่เป็นปัญหา ภายในวัสดุอื่น ๆ ที่มีการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนกว่าคำเหล่านี้มักแสดงด้วยจำนวนเชิงซ้อนหรือเทนเซอร์
กฎหมาย Lorentz บังคับควบคุมการทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากับเรื่องเรียกเก็บ
เมื่อเขตข้อมูลเดินทางข้ามไปยังสื่อที่แตกต่างกันคุณสมบัติของเขตข้อมูลจะเปลี่ยนไปตามเงื่อนไขขอบเขตต่างๆ สมการเหล่านี้ได้มาจากสมการของแมกซ์เวลล์ ส่วนประกอบสัมผัสของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับขอบเขตของสื่อสองสื่อมีดังนี้: [11]
- (ปัจจุบันฟรี)
- (ฟรี)
มุมของการหักเหของสนามไฟฟ้าระหว่างสื่อสัมพันธ์กับการอนุญาต ของแต่ละสื่อ:
มุมของการหักเหของสนามแม่เหล็กระหว่างสื่อสัมพันธ์กับความสามารถในการซึมผ่าน ของแต่ละสื่อ:
คุณสมบัติของฟิลด์
พฤติกรรมซึ่งกันและกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
สมการแมกซ์เวลล์สองสมการกฎของฟาราเดย์และกฎหมายแอมเพียร์ - แม็กซ์เวลล์แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่ใช้งานได้จริงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า กฎของฟาราเดย์อาจระบุไว้คร่าวๆว่า 'สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดสนามไฟฟ้า' นี่คือหลักการที่อยู่เบื้องหลังการกำเนิดไฟฟ้า
กฎของแอมแปร์ระบุคร่าวๆว่า 'สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก' ดังนั้นกฎหมายนี้สามารถนำมาใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กและเรียกใช้มอเตอร์ไฟฟ้า
พฤติกรรมของฟิลด์ในกรณีที่ไม่มีประจุหรือกระแส
สมการของแมกซ์เวลล์อยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปริมาตรของอวกาศที่ไม่มีประจุหรือกระแส ( พื้นที่ว่าง ) นั่นคือโดยที่และJเป็นศูนย์ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นไปตามสมการของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า : [12]
เจมส์ Clerk Maxwellเป็นครั้งแรกที่จะได้รับความสัมพันธ์นี้โดยการเสร็จสิ้นของเขาจากสมการของแมกซ์เวลล์ด้วยนอกเหนือจากที่ปัจจุบันกระจัดระยะกฎหมาย circuital แอมแปร์
ความสัมพันธ์และการเปรียบเทียบกับฟิลด์ทางกายภาพอื่น ๆ
ด้วยการเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐานของธรรมชาติมันเป็นประโยชน์ในการเปรียบเทียบสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแรงโน้มถ่วง , แข็งแกร่งและอ่อนแอสาขา คำว่า 'แรง' บางครั้งจะถูกแทนที่ด้วย 'ปฏิสัมพันธ์เพราะที่ทันสมัยฟิสิกส์อนุภาครุ่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแลกเปลี่ยนของอนุภาคที่รู้จักกันว่าวัด bosons
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและความโน้มถ่วง
แหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยประจุสองประเภท- บวกและลบ สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับแหล่งที่มาของสนามโน้มถ่วงซึ่งเป็นมวล มวลชนบางครั้งจะอธิบายว่าเป็นค่าใช้จ่ายที่แรงโน้มถ่วงคุณลักษณะที่สำคัญของพวกเขาเป็นว่ามีฝูงบวกเท่านั้นและไม่มีมวลชนเชิงลบ นอกจากนี้แรงโน้มถ่วงแตกต่างจากแม่เหล็กไฟฟ้าตรงที่มวลบวกดึงดูดมวลบวกอื่น ๆ ในขณะที่ประจุเดียวกันในแม่เหล็กไฟฟ้าจะขับไล่กันและกัน
จุดแข็งและช่วงสัมพัทธ์ของการโต้ตอบทั้งสี่และข้อมูลอื่น ๆ มีอยู่ในตารางด้านล่าง:
ทฤษฎี | ปฏิสัมพันธ์ | คนกลาง | ขนาดสัมพัทธ์ | พฤติกรรม | พิสัย |
---|---|---|---|---|---|
โครโมไดนามิกส์ | ปฏิสัมพันธ์ที่ดี | กลูออน | 10 38 | 1 | 10 −15ม |
ไฟฟ้ากระแส | ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า | โฟตอน | 10 36 | 1 / ร2 | ไม่มีที่สิ้นสุด |
ฟลาโวร์ดพลศาสตร์ | ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ | W และ Z bosons | 10 25 | 1 / r 5ถึง 1 / r 7 | 10 −16ม |
Geometrodynamics | ความโน้มถ่วง | กราวิตัน (สมมุติฐาน) | 10 0 | 1 / ร2 | ไม่มีที่สิ้นสุด |
แอพพลิเคชั่น
ฟิลด์ E และ M แบบคงที่และฟิลด์ EM แบบคงที่
เมื่อสนาม EM (ดูเทนเซอร์แม่เหล็กไฟฟ้า ) ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาอาจถูกมองว่าเป็นสนามไฟฟ้าล้วน ๆ หรือสนามแม่เหล็กล้วน ๆ หรือทั้งสองอย่างผสมกัน อย่างไรก็ตามกรณีทั่วไปของสนาม EM แบบคงที่ที่มีส่วนประกอบทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็กอยู่เป็นกรณีที่ดูเหมือนกับผู้สังเกตการณ์ส่วนใหญ่ ผู้สังเกตการณ์ที่เห็นเฉพาะองค์ประกอบสนามไฟฟ้าหรือแม่เหล็กของสนาม EM คงมีส่วนประกอบอื่น ๆ (ไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก) ถูกระงับเนื่องจากกรณีพิเศษของสถานะที่เคลื่อนที่ไม่ได้ของประจุที่ทำให้เกิดสนาม EM ในกรณีนั้น ในกรณีเช่นนี้องค์ประกอบอื่น ๆ จะปรากฏในกรอบสังเกตการณ์อื่น ๆ
ผลที่ตามมาคือกรณีใด ๆ ที่ดูเหมือนจะประกอบด้วยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก "บริสุทธิ์" สามารถแปลงเป็นสนาม EM ได้โดยมีทั้งองค์ประกอบ E และ M อยู่โดยเพียงแค่ย้ายผู้สังเกตไปยังกรอบอ้างอิงซึ่งเคลื่อนที่โดยคำนึงถึงเฟรมซึ่งมีเพียงสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก "บริสุทธิ์" เท่านั้นที่ปรากฏขึ้น นั่นคือสนามไฟฟ้าสถิตบริสุทธิ์จะแสดงสนามแม่เหล็กที่คุ้นเคยซึ่งเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าในกรอบอ้างอิงใด ๆที่ประจุเคลื่อนที่ ในทำนองเดียวกันการเคลื่อนที่ใหม่ของประจุไฟฟ้าในบริเวณที่ก่อนหน้านี้ดูเหมือนจะมีเพียงสนามแม่เหล็กเท่านั้นจะแสดงให้เห็นว่าพื้นที่นั้นมีสนามไฟฟ้าด้วยเช่นกันซึ่งจะพบว่าทำให้เกิดแรงลอเรนซ์เพิ่มเติมเมื่อประจุเคลื่อนที่
ดังนั้นไฟฟ้าสถิตเช่นเดียวกับแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กจึงถูกมองว่าเป็นการศึกษาของสนาม EM แบบคงที่เมื่อเฟรมใดเฟรมหนึ่งถูกเลือกเพื่อยับยั้งสนามประเภทอื่นและเนื่องจากสนาม EM ที่มีทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็กจะปรากฏในใด ๆ กรอบอื่น ๆ เอฟเฟกต์ที่ "ง่ายกว่า" เหล่านี้เป็นเพียงของผู้สังเกตการณ์เท่านั้น "แอปพลิเคชัน" ของฟิลด์ที่ไม่เปลี่ยนแปลงเวลา (คงที่) ทั้งหมดดังกล่าวจะกล่าวถึงในบทความหลักที่เชื่อมโยงในส่วนนี้
ฟิลด์ EM แบบแปรผันตามเวลาในสมการของ Maxwell
สนาม EM ที่เวลาแตกต่างกันมี "สาเหตุ" สองประการในสมการของ Maxwell หนึ่งคือประจุและกระแส (เรียกว่า "แหล่งที่มา") และอีกสาเหตุหนึ่งของฟิลด์ E หรือ M คือการเปลี่ยนแปลงในฟิลด์ประเภทอื่น (สาเหตุสุดท้ายนี้ยังปรากฏใน "พื้นที่ว่าง" ซึ่งห่างไกลจากกระแสและประจุมาก ).
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ห่างไกลจากกระแสน้ำและประจุไฟฟ้า (แหล่งกำเนิด) เรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EMR) เนื่องจากมันแผ่ออกมาจากประจุและกระแสในแหล่งกำเนิดและไม่มีผล "ตอบรับ" ต่อพวกมันและยังไม่ได้รับผลกระทบโดยตรงจากพวกมันใน เวลาปัจจุบัน (แต่เกิดขึ้นโดยอ้อมโดยลำดับของการเปลี่ยนแปลงในเขตข้อมูลที่แผ่ออกมาจากช่วงเวลาในอดีต) EMR ประกอบด้วยรังสีในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ารวมทั้งคลื่นวิทยุ , ไมโครเวฟ , อินฟราเรด , แสงที่มองเห็น , แสงอัลตราไวโอเลต , รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา การใช้งานเชิงพาณิชย์จำนวนมากของการแผ่รังสีเหล่านี้จะกล่าวถึงในบทความที่มีชื่อและเชื่อมโยง
การประยุกต์ใช้แสงที่มองเห็นได้อย่างโดดเด่นคือพลังงานประเภทนี้จากดวงอาทิตย์ให้พลังกับทุกชีวิตบนโลกที่สร้างหรือใช้ออกซิเจน
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงซึ่งอยู่ใกล้กับกระแสและประจุทางกายภาพ (ดูสนามใกล้และไกลสำหรับคำจำกัดความของ "ปิด") จะมีลักษณะไดโพลที่ถูกครอบงำโดยไดโพลไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปหรือไดโพลแม่เหล็กที่เปลี่ยนไป ประเภทของขั้วข้อมูลที่อยู่ใกล้แหล่งที่มานี้เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ใกล้กับสนาม
การเปลี่ยนการไฟฟ้าเขตขั้วเช่นนี้ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์เป็นที่อยู่ใกล้กับเขตส่วนใหญ่เป็นแหล่งที่มาของความร้อนอิเล็กทริก มิฉะนั้นจะปรากฏเป็นปรสิตรอบตัวนำซึ่งดูดซับ EMR และรอบ ๆ เสาอากาศซึ่งมีจุดประสงค์ในการสร้าง EMR ในระยะทางที่ไกลขึ้น
การเปลี่ยนสนามไดโพลแม่เหล็ก (เช่นสนามแม่เหล็กใกล้) ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์สำหรับอุปกรณ์เหนี่ยวนำแม่เหล็กหลายประเภท ซึ่งรวมถึงมอเตอร์และหม้อแปลงไฟฟ้าที่ความถี่ต่ำและอุปกรณ์เช่นเครื่องตรวจจับโลหะและขดลวดสแกนเนอร์MRIที่ความถี่สูงกว่า บางครั้งสนามแม่เหล็กความถี่สูงเหล่านี้เปลี่ยนแปลงที่ความถี่วิทยุโดยไม่ต้องเป็นคลื่นสนามไกลจึงเป็นคลื่นวิทยุ ดูแท็กRFID ดูการสื่อสารระยะใกล้ด้วย การใช้เอฟเฟกต์ EM ระยะใกล้ในเชิงพาณิชย์เพิ่มเติมสามารถพบได้ในบทความเรื่องโฟตอนเสมือนเนื่องจากในระดับควอนตัมฟิลด์เหล่านี้จะแสดงโดยอนุภาคเหล่านี้ ไกลข้อมูลผลกระทบ (EMR) ในภาพควอนตัมของรังสีโดยมีตัวแทนสามัญโฟตอน
อื่น ๆ
- สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถใช้ในการบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิต
- โทรทัศน์รุ่นเก่าสามารถตรวจสอบได้ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
สุขภาพและความปลอดภัย
ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าต่อสุขภาพของมนุษย์นั้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความถี่และความรุนแรงของสนาม
ผลกระทบต่อสุขภาพที่อาจเกิดขึ้นจาก EMF ความถี่ต่ำรอบ ๆ สายไฟและอุปกรณ์ไฟฟ้าเป็นเรื่องของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่และการถกเถียงในที่สาธารณะจำนวนมาก สถาบันความปลอดภัยและอาชีวอนามัยแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา(NIOSH) และหน่วยงานอื่น ๆ ของรัฐบาลสหรัฐฯไม่ถือว่า EMF เป็นอันตรายต่อสุขภาพที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว NIOSH ได้ออกคำแนะนำเพื่อเตือนภัย แต่เน้นว่าขณะนี้ข้อมูลมีข้อ จำกัด เกินกว่าจะสรุปได้ดี [13]
พนักงานที่ทำงานในอุปกรณ์ไฟฟ้าและสถานที่ติดตั้งสามารถสันนิษฐานได้เสมอว่าต้องสัมผัสกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า การที่พนักงานออฟฟิศสัมผัสกับพื้นที่ที่สร้างโดยคอมพิวเตอร์จอภาพและอื่น ๆ เป็นเรื่องเล็กน้อยเนื่องจากมีจุดแข็งที่ต่ำ อย่างไรก็ตามการติดตั้งในโรงงานอุตสาหกรรมสำหรับการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำและการหลอมหรือบนอุปกรณ์เชื่อมอาจให้ความแข็งแรงของสนามสูงกว่ามากและต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม หากไม่สามารถระบุการสัมผัสได้จากข้อมูลของผู้ผลิตการเปรียบเทียบกับระบบที่คล้ายกันหรือการคำนวณเชิงวิเคราะห์จะต้องทำการวัดให้สำเร็จ ผลการประเมินช่วยในการประเมินอันตรายที่อาจเกิดขึ้นต่อความปลอดภัยและสุขภาพของคนงานและกำหนดมาตรการป้องกัน เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่อาจมีผลต่อการใช้งานเรื่อย ๆ หรือการปลูกถ่ายของคนมันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาการสัมผัสสถานที่ทำงานของพวกเขาแยกต่างหากในการประเมินความเสี่ยง [14]
ในทางกลับกันรังสีจากส่วนอื่น ๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นแสงอัลตราไวโอเลตและรังสีแกมมาเป็นที่ทราบกันดีว่าก่อให้เกิดอันตรายอย่างมีนัยสำคัญในบางสถานการณ์ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบต่อสุขภาพอันเนื่องมาจากปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าและบางส่วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าโปรดดูบทความต่อไปนี้:
- สนามไฟฟ้าสถิต: ดูไฟฟ้าช็อต
- สนามแม่เหล็กคงที่: ดูMRI # Safety
- ความถี่ต่ำมาก (ELF): ดูสายไฟ # ข้อกังวลด้านสุขภาพ
- ความถี่วิทยุ (RF): ดูการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสุขภาพ
- โทรศัพท์มือถือ: ดูรังสีโทรศัพท์มือถือและสุขภาพ
- แสง: ดูความปลอดภัยของเลเซอร์
- อัลตราไวโอเลต (UV): ดูที่Sunburn , Photokeratitis
- รังสีแกมมา: ดูรังสีแกมมา
ดูสิ่งนี้ด้วย
- พลาสม่าสายัณห์
- ปัจจัยเสาอากาศ
- การจำแนกประเภทของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- สนามไฟฟ้า
- แม่เหล็กไฟฟ้า
- การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
- เทนเซอร์แม่เหล็กไฟฟ้า
- การบำบัดด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า
- ที่ว่าง
- ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน
- รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
- สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
- การวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- สนามโน้มถ่วง
- รายชื่อหัวข้อสิ่งแวดล้อม
- สนามแม่เหล็ก
- สมการของ Maxwell
- เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค
- โฟตอน
- การหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- ไฟฟ้ากระแสควอนตัม
- Riemann – Silberstein vector
- หน่วย SI
อ้างอิง
- ^ ริชาร์ดไฟน์แมน (1970) The Feynman Lectures on Physics Vol II . แอดดิสันเวสลีย์ลองแมน ISBN 978-0-201-02115-8.
"ฟิลด์" คือปริมาณทางกายภาพใด ๆ ที่รับค่าที่แตกต่างกันตามจุดต่างๆในอวกาศ
- ^ เพอร์เซลล์ p5-11; p61; p277-296
- ^ Purcell, p235: จากนั้นเราจะคำนวณสนามไฟฟ้าเนื่องจากประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ มันไม่เท่ากับสนามคูลอมบ์สมมาตรทรงกลม
- ^ Griffiths, David J. (1999). รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้ากระแส Upper Saddle River, นิวเจอร์ซีย์ 07458: Prentice Hall ได้ pp. 364 ISBN 0-13-805326-X.CS1 maint: ตำแหน่ง ( ลิงค์ )
- ^ สเปนเซอร์เจมส์เอ็น.; และคณะ (2553). เคมี: โครงสร้างและพลวัต . จอห์นไวลีย์แอนด์ซันส์ น. 78. ISBN 9780470587119.
- ^ Stauffer, Robert C. (1957). "การเก็งกำไรและการทดลองเบื้องหลังการค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้าของ Oersted". ไอซิส . 48 (1): 33–50. ดอย : 10.1086 / 348537 . JSTOR 226900 S2CID 120063434 .
- ^ Maxwell 1864 5, หน้า 499; ยังเดวิดเจ Griffiths (1999), Introduction to ไฟฟ้ากระแสสามฉบับเอ็ด Prentice Hall, pp. 559-562 "(ตามที่อ้างใน Gabriela, 2009)
- ^ กริฟฟิ ธ เดวิดเจ (2542). รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้ากระแส Upper Saddle River, New Jersey, 07458: ศิษย์ ได้ pp. 321 บทที่ 7.3 สมการแมกซ์เวล ISBN 0-13-805326-X.CS1 maint: ตำแหน่ง ( ลิงค์ )
- ^ Hoag, JB (2009). "ความเร็วของอิเล็กตรอนในหลอดสุญญากาศ" . วิทยุพื้นฐาน สืบค้นเมื่อ22 มิถุนายน 2562 .
- ^ สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (พิมพ์ครั้งที่ 2), Roald K. Wangsness, Wiley, 1986 ISBN 0-471-81186-6 (หนังสือเรียนระดับกลาง)
- ^ ร่าง Schaum ของทฤษฎีและปัญหาการ electromagnetics (ฉบับที่ 2), โจเซฟเอ Edminister, McGraw-Hill, 1995 ISBN 0070212341 (ตัวอย่างและแนวทางปฏิบัติ)
- ^ แม่เหล็กไฟฟ้าสนามและคลื่น (พิมพ์ครั้งที่ 2), David K. Cheng, Prentice Hall, 1989 ISBN 978-0-201-12819-2 (หนังสือเรียนระดับกลาง)
- ^ "NIOSH Fact Sheet: EMFs ในสถานประกอบการ" สถาบันแห่งชาติเพื่อความปลอดภัยและอาชีวอนามัยแห่งสหรัฐอเมริกา 1996 สืบค้นเมื่อ31 สิงหาคม 2558 .
- ^ สถาบันเพื่อความปลอดภัยและอาชีวอนามัยของการประกันอุบัติเหตุทางสังคมของเยอรมัน "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า: หัวข้อที่สำคัญและโครงการ"
อ่านเพิ่มเติม
- Griffiths, David J. (1999). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้ากระแส (3rd ed.) Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall ISBN 978-0138053260.
- Maxwell, JC (1 มกราคม 2408) "ทฤษฎีพลวัตของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า". รายการปรัชญาของราชสมาคมแห่งลอนดอน 155 : 459–512 ดอย : 10.1098 / rstl.1865.0008 . S2CID 186207827 (บทความนี้มีการนำเสนอโดย Maxwell to the Royal Society ในวันที่ 8 ธันวาคม พ.ศ. 2407)
- เพอร์เซลล์เอ็ดเวิร์ดม.; โมรินเดวิดเจ. (2555). ไฟฟ้าและแม่เหล็ก (3rd ed.). เคมบริดจ์: Cambridge Univ. กด. ISBN 9781-10701-4022.
- กรีนไบรอัน ผ้าของคอสมอส NY, NY: Random House (บทที่ 3: ส่วนย่อย Force, Matter และ the Higgs Field)
ลิงก์ภายนอก
สื่อที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ Wikimedia Commons
- เรื่อง Electrodynamics of Moving BodiesโดยAlbert Einstein 30 มิถุนายน 1905
- เกี่ยวกับ Electrodynamics of Moving Bodies (pdf)
- Non-รังสีส่วนที่ 1: แบบคงที่และต่ำมากความถี่ (ELF) เครื่องใช้ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (2002)โดยIARC
- Zhang J, Clement D, Taunton J (มกราคม 2543) "ประสิทธิภาพของ Farabloc ซึ่งเป็นเกราะป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าในการลดอาการปวดกล้ามเนื้อล่าช้าที่เริ่มมีอาการ" Clin J Sport Med . 10 (1): 15–21. ดอย : 10.1097 / 00042752-200001000-00004 . PMID 10695845 S2CID 36115711
- สถาบันแห่งชาติเพื่อความปลอดภัยและอาชีวอนามัย - หน้าหัวข้อ EMF
- ผลทางชีวภาพของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กความถี่ไฟฟ้า (พฤษภาคม 1989) (110 หน้า) จัดทำขึ้นสำหรับสำนักงานประเมินเทคโนโลยีแห่งรัฐสภาสหรัฐฯโดยอินทิราแนร์, M. Granger Morgan, Keith Florig, ภาควิชาวิศวกรรมและนโยบายสาธารณะ Carnegie Mellon University
- การประเมิน EMF (ภาษาเยอรมัน) ตามแนวทางของสหภาพยุโรป 2013/35 / EU