אלקטרומגנטיות

אֱלֶקְטְרוֹמַגְנֵטִיּוּת היא הענף בפיזיקה העוסק בתופעות הקשורות למטען חשמלי. אלקטרומגנטיות עוסקת בשדות חשמליים ומגנטיים, כמו גם באור ובקרינה אלקטרומגנטית. שדה כוח אלקטרומגנטי נראה כאילו הוא מורכב משדה חשמלי ומשדה מגנטי מצומדים, כלומר הם נראים כאילו הם מתפשטים יחד, אם כי הם שני הבטים של תופעה פיזיקלית אחת.

הכוח האלקטרומגנטי הוא אחד מארבעת הכוחות היסודיים בטבע, ומשפיע על תופעות טבע רבות. הכוח מעורב בין היתר בתגובות כימיות, ונמצא בבסיס התאוריה הקוונטית המסבירה את מבנה הקליפות האלקטרוניות באטומים. אור הוא קרינה אלקטרומגנטית בתחום תדרים מסוים. תדרים אחרים יוצרים סוגי קרינה אחרים, כפי שמתאר הספקטרום האלקטרומגנטי. בפיזיקת החלקיקים, אלקטרומגנטיות מוסברת כנישאת על ידי חלקיק הפוטון.

הכוח החשמלי

ערך מורחב – שדה חשמלי

הכוח החשמלי גורם לכך שמטענים חשמליים בעלי סימן זהה דוחים זה את זה, בה במידה שמטענים הפוכים בסימנם מושכים זה את זה. בדומה לכוח המשיכה הגרוויטציוני, עוצמת המשיכה פרופורציונית למכפלת המטען של החלקיקים והופכי לריבוע המרחק ביניהם. חוק פיזיקלי זה נקרא "חוק קולון".

הכוח החשמלי חזק בהרבה מכוח הכבידה, היחס ביניהם הוא מסדר גודל של ‎10⁴⁴‎ כך שאילולא היה סך המטענים החיוביים בגוף מסוים שווה בדיוק לסך המטענים השליליים בו, אפשר היה להזניח את שדה הגרביטציה (כוח המשיכה) שהגוף יוצר. הכוח הגרעיני החזק אמנם חזק יותר מהכוח החשמלי (אחרת גרעיני האטומים היו מתפרקים באופן ספונטני, שכן הם מורכבים מפרוטונים חיוביים, שדוחים זה את זה, ונייטרונים נייטרליים), אך הוא קצר טווח וניתן להזנחה במרחקים שהם מסדר גודל של אנגסטרום ומעלה. לכן מבין ארבעת הכוחות היסודיים, הכוח הרלוונטי ברוב המוחלט של התופעות שקורות סביבנו הוא הכוח האלקטרומגנטי.

הכוח המגנטי

ערך מורחב – שדה מגנטי

הכוח המגנטי קצת יותר מורכב מהכוח החשמלי, שכן הוא פועל רק על מטען חשמלי שנמצא בתנועה, או בניסוח שקול, רק על זרמים חשמליים. ניסוחו המלא במשוואת כוח לורנץ. כוח מגנטי לא נוצר מתוך מטען מגנטי בודד אלא מדיפול מגנטי, כלומר מזוג מטענים מגנטיים ("קטבים") הפוכים בסימנם וצמודים. לא נמצא מעולם מטען מגנטי בודד (מונופול מגנטי). דיפול מגנטי הוא למעשה לולאה שזורם בה זרם חשמלי.

משוואות מקסוול

ערך מורחב – משוואות מקסוול

משוואות מקסוול, הן ארבע משוואות המניחות את הבסיס המתמטי לתחום האלקטרומגנטיות. הפיזיקאי ג'יימס קלארק מקסוול ריכז את החוקים שהתגלו עד ימיו לכדי ארבע משוואות, המתארות באופן כמותי את התנהגות השדות, החשמלי והמגנטי. החשיבות של המשוואות היא בהפשטת המושגים של הכוחות והעברת כובד החשיבות למושגי השדות. התפתחות זאת איפשרה להסיק מסקנות רבות, לחבר את תחום האופטיקה והאור אל תוך האלקטרומגנטיות, לדבר במונחים של זרימת אנרגיה, ולהביא להמצאת חידושים טכנולוגיים רבים.

פיזיקת החלקיקים

ניתן לסווג את כל החלקיקים בפיזיקת החלקיקים (אבני היסוד של הטבע) לפי המטען החשמלי שלהם: חיובי, שלילי או נייטרלי. גודל המטען אינו רציף אלא בדיד (דיסקרטי), וערכו בחלקיק חופשי בא בכפולות שלמות של $\ e$ (מטען האלקטרון). לקוורקים מטענים של שליש ושני שלישים $\ e$, אך הם אינם חופשיים אלא מתחברים תמיד ליצירת חלקיקים מורכבים בעלי מטען שלם.

תורת החלקיקים המסבירה את הכח האלקטרומגנטי היא אלקטרודינמיקה קוונטית, שהיא תורת כיול המכילה פוטון כחלקיק (בוזון כיול) הנושא את הכוח.

היסטוריה

ערך מורחב – התפתחות חקר מהות האור

תורת החשמל והמגנטיות הקלאסית פותחה על ידי מספר רב של פיזיקאים במהלך המאה ה-19, שהביאו אותה לשיא בעבודתו של ג'יימס קלרק מקסוול, שאיחד את כל התופעות החדשות שנצפו בתקופתו לתאוריה אחת תחת משוואות מקסוול. בתוך כך הוא גילה את הטבע האלקטרומגנטי של האור. דרך נכונה אך לא יחידה "לראות" אור היא כפתרון סינוסואידי של משוואות מקסוול בתנאים מסוימים. כלומר אור הוא שדה חשמלי (E) ומגנטי (B) המתקדמים כגל במרחב. שדות אלו מסוגלים לבצע עבודה כפי שניתן לתיאור בעזרת חוק הכוח של לורנץ, ולכן ניתן לייחס להם אנרגיה המסווגת כאנרגיה אלקטרומגנטית. במושגים אלה האור הוא קרינה אלקטרומגנטית בעלת תדירות בטווח הניתן להבחנה על ידי מכשיר מדידה סטנדרטי שהוא לא אחר מהעין.

כשהאתר, שהיה אמור להיות התווך בו עוברת הקרינה האלקטרומגנטיות, לא נמצא, הופיעה סתירה בתאוריה. סתירה זו נפתרה על ידי אלברט איינשטיין באמצעות ניסוח תורת היחסות הפרטית ששומרת על מהירות האור (קבוע של משוואות מקסוול) אינווריאנטי בכל מערכות הייחוס. בעקבות פיתוח גאומטריית המרחב-זמן ה-4 ממדי על ידי הרמן מינקובסקי אפשר לנסח את התורה האלקטרומגנטית בצורה טנזורית.

גישות שונות

עיינו גם בפורטל פורטל הפיזיקה מהווה שער לחובבי הפיזיקה ולמתעניינים בתחום. בין היתר, בפורטל תוכלו למצוא מידע על פיזיקאים חשובים, על ענפי הפיזיקה ועל תאוריות פיזיקליות.

טיפול בבעיות גלים אלקטרומגנטיים בגישה הקלאסית נעשה בדרכים שונות בהתאם לתחום התדרים האופייני לבעיה. תדרים גבוהים במיוחד, בהם אורך הגל קצר בהרבה מממדי המערכת, מטופלים בקירוב הנקרא "אופטיקה גאומטרית". מסלול האור מתואר על ידי קרניים, ולרוב, הבנתו המלאה אינה מצריכה ידע במתמטיקה על-תיכונית. בטווח אורכי גל מסדר גודל של ממדי הגודל האופייני במערכת, אופיו הגלי של האור בא לידי ביטוי וניתן לצפות בתופעות של התאבכות ועקיפה.

אלקטרודינמיקה היא תת-תחום של האלקטרומגנטיות העוסק בשדות חשמליים ומגנטיים המשתנים במהירות, ובהשפעותיהם על תנועת חלקיקים.

הופעת מכניקת הקוונטים חייבה את קיומה של תאוריה קוונטית של אלקטרומגנטיות. תאוריה זו, שהושלמה בשנת 1970, ידועה בשם "אלקטרודינמיקה קוונטית" (QED). כאשר האור מקיים אינטראקציה עם חומר כמו באפקט הפוטו-אלקטרי, אופיו הקוונטי של האור בא לידי ביטוי. מתורת הקוונטים אנו למדים שהאנרגיה שאור יכול לתת או לקבל מקוונטטת ליחידות של hf כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-f היא התדירות. התיאור המלא והנכון ביותר של האור למיטב ידיעתנו הוא של תורת השדות הקוונטית. אין סתירה בינו לבין אופטיקה גאומטרית, למשל. אופטיקה גאומטרית מתלכדת עם התיאור הקוונטי בגבול של אורכי גל קצרים.

ספרים

• Jackson, J.D., Classical Electrodynamics, 1999 (3rd ed.). Wiley, New York, ISBN 0-471-30932-X

ראו גם

• אלקטרוסטטיקה
• מגנט, מגנטיות
• משפט פוינטינג
• אלקטרומגנטיות ותורת היחסות הפרטית

קישורים חיצוניים

• Electromagnetism - סרטון הסבר על אלקטרומגנטיות
• רשימות באלקטרומגנטיות אנליטית
• אלקטרומגנטיות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אלקטרומגנטיות, דף שער בספרייה הלאומית