ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие – наиболее исследованная из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Основными уравнениями электромагнетизма является уравнения Максвелла. Распространяется в форме электромагнитного поля, состоящего из векторных безмассовыми квантов нов.

Благодаря нулевой массе фотонов взаимодействие дальнего действия; примером электромагнитного взаимодействия на большом расстоянии является прием излучения галактик и квазаров на расстояниях в миллиарды световых лет.

В электромагнитном взаимодействии участвуют кварки и лептоны, имеющих электрический заряд.

Электромагнитным взаимодействием обусловлено большинство явлений в мире, который окружает человека. Электромагнитное взаимодействие отвечает за привлечение электронов в ядер атомов, а потому отвечает за формирование атомов и молекул и за их свойства. Проявлением электромагнитного взаимодействия также свет – поток фотонов.

Электромагнитное взаимодействие вторая по интенсивности с фундаментальных взаимодействий и слабее только от сильного взаимодействия, которая, однако имеет короткий радиус действия. Она намного сильнее слабое взаимодействие и гравитацию.

Особенностью электромагнитного взаимодействия однако является то, что электрические заряды бывают двух знаков, а потому могут как притягиваться, в случае разноименных зарядов, так и отталкиваться, в случае одноименных зарядов.

Этим электромагнитное взаимодействие существенно отличается от гравитационной, которая всегда имеет характер притяжения.

На современном этапе развития физики существует теория электро-слабого взаимодействия, которая объединяет эти два типа взаимодействия в единое поле.

В классических (неквантових) рамках электромагнитное взаимодействие описывается законами классической электродинамики.

Основные формулы классической электродинамики

На проводник с током длиной , Помещенный в магнитное поле с индукцией , Действует сила Ампера :

На заряженную частицу с зарядом , Движущегося со скоростью в магнитном поле индукцией , Действует сила Лоренца :

История теории

Сначала электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами.

Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы Джеймса Максвелла “Трактат по электричеству и магнетизму”, в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекты, вытекающие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:

1. Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются.
2. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) притягивают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда существуют парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного и наоборот.
3. Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг проводника, направлено (по или против часовой стрелки) в зависимости от направления тока.
4. Ток индуцируется в петле проводника при их относительном приближении или отдаленные, направление тока зависит от направления этих перемещений.

Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, Ганс Кристиан Эрстед сделал удивительное наблюдение.

Когда он выбирал материалы, то заметил, что стрелка компаса отклоняется от северного магнитного полюса, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включается и выключается.

Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля выходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяется в пространстве свет и тепло, и наблюдения указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.

На момент открытия, Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался описать явление в математических выкладках. Однако, через три месяца, он стал проводить более интенсивные исследования.

Вскоре после этого он опубликовал их результаты, доказав, что электрический ток при протекании через проводник создает магнитное поле.

В системе СГС единицу электромагнитной индукции ( Е) назвали в честь вклада Эрстеда в исследование электромагнетизма.

Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию электродинамики мировым научным сообществом. 1820 годом также датируются работы Франсуа Араго, который заметил, что проводник, по которому течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки.

Он же впервые намагнитив железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медной проволоки, по которому проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив ее в катушку и разрядив через катушку лейденскую банка.

Независимо от Араго намагничивания стали и железа током было открыто Гемфри Дэви.

Первые количественные определения воздействия тока на магнит так же относятся к 1820 году и принадлежат французским ученым Жану-Батисту Био и Феликсу Савара [1]. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика Андре-Мари Ампера, который представил закономерность взаимодействия электромагнитной и проводника с током в математической форме.

Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции энергии. Единство, было выявлено Майклом Фарадеем, дополнена Джеймсом Максвеллом, а также уточнена Оливер Хевисайд и Генрихом Герцем, является одной из ключевых достижений XIX века в математической физике.

Различные частоты колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от радиоволн на низких частотах, до видимого света на средних и гамма-лучей на высоких частотах.

Эрстед не был единственным, кто заметил связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джованни Доменико Романьози, итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами.

Но, фактически, в исследованиях Романьози не применялся гальванический элемент и постоянный ток как таковой отсутствовал.

Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в основном проигнорирован сообществом того времени.

Источник: http://nado.znate.ru/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5

Электромагнитные взаимодействия

    Электромагнитное взаимодействие является одним из четырех типов фундаментальных взаимодействий:

• сильное взаимодействие,
• электромагнитное взаимодействие,
• слабое взаимодействие,
• гравитационное взаимодействие.

    Переносчиком электромагнитного взаимодействия является квант электромагнитного поля – фотон. Радиус действия сил R и масса переносчика взаимодействия m связаны соотношением

R = ћ/mc.

    Так как фотон имеет нулевую массу, радиус действия электромагнитных сил бесконечный. Поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство явлений, наблюдаемых в макроскопических масштабах – силы трения, упругости и другие. Безразмерная константа

α =e2/ћc = 1/137

определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Фундаментальная вершина электромагнитного взаимодействия

    Процессы квантовой электродинамики описываются с помощью одной фундаментальной вершины состоящей из двух фермионных линий ƒ и одной фотонной γ (рис. 4.1)

Рис. 4.1. Фундаментальная вершина, описывающая виртуальный процесс испускания фермионом (электроном) фотона.

Вершина электромагнитного взаимодействия описывает виртуальный процесс испускания фермионом, например, электроном фотона (рис. 4.1). Этот процесс является виртуальным, т.к.

свободный электрон ни испустить, ни поглотить фотон не может, что можно показать, воспользовавшись равноправием инерциальный систем координат и рассмотрев процесс в системе координат, в которой электрон покоится после поглощения фотона (рис. 4.2). Из законов сохранения энергии и импульса следует = , т.

 к. до поглощения импульс фотона  равен импульсу фотона . После поглощения фотона электроном из закона сохранения энергии следует

(c2p2 + m2c4)1/2 + |k|c = mc2.

Рис. 4.2. Виртуальный процесс поглощения электроном фотона.

В зависимости от ориентаций фермионных и фотонных линий относительно оси времени основной узел квантовой электродинамики описывает различные виртуальные процессы взаимодействия электронов, позитронов и фотонов.

    В приведенных ниже виртуальных процессах (рис. 4.3–4.9) ось времени направлена слева направо.

 
Рис.4.3. Виртуальный процесс испускания электроном фотона

 
Рис. 4.4. Виртуальный процесс испускания фотона позитроном. Позитрон распространяется по оси времени в противоположном направлении.

 
Рис. 4.5. Виртуальные процессы поглощения фотона электроном (слева) позитроном (справа).

 
Рис. 4.6. Виртуальные процессы e+e–аннигиляции (слева), образования пары электрон-позитрон (справа).

Образование e+e–пар

    Релятивистское обобщение Дираком теории электрона привело не только к предсказанию позитрона, но и к предсказанию того, что при достаточно высоких энергиях E > 1 МэВ возможен процесс образования электрон-позитронных пар. Этот процесс был экспериментально обнаружен в 1932 г.

    Во всех процессах, происходящих в Природе, выполняется закон сохранения электрического заряда. Электрону приписывается электрический заряд Q = -1, протону − Q = +1, фотону и другим нейтральным частицам приписывается величины электрического заряда Q = 0.

Позитрон, являющийся античастицей по отношению к электрону имеет электрический заряд Q = -1.

    Закон сохранения электрического заряда не запрещает изменение числа заряженных частиц. В результате аннигиляции электрона и позитрона число заряженных частиц уменьшается на две единицы.

При этом суммарный электрический заряд остаётся равным нулю, как до взаимодействия, так и после взаимодействия. Процесс рождения электрон-позитронной пары подчиняется тому же закону сохранения электрического заряда. Любая частица может быть рождена или уничтожена одновременно со своей античастицей.

При этом все квантовые числа будут автоматически сохраняться.
    Из законов сохранения импульса и энергии следует, что процесс образования электрон-позитронных пар не может происходить в вакууме.

Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле третьей частицы, получающей часть импульса и энергии. Процесс рождения фотоном электрон-позитронной пары в поле атомного ядра Z показан на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Образование e+e–пары в кулоновском поле атомного ядра.

    В более компактном виде диаграмму Фейнмана образования электрон-позитронной пары в кулоновском поле атомного ядра можно изобразить в виде, показанном на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Образование e+e–пары в кулоновском поле атомного ядра.

Диаграмма Фейнмана рассеяния фотона на фотоне имеет вид.

Рис. 4.9. Диаграмма Фейнмана рассеяния фотона на фотоне.

    Образование e+e–пар в поле атомного ядра происходит в случае, если энергия γ-кванта удовлетворяет соотношению

Eγ ≥ 2mec2 + En,

при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса. В основ­ном образование e+e–пар происходит в кулоновском поле ядер атомов. Эффективное сечение этого процесса пропорционально квадрату заряда ядра Z2. Электрон-позитронные пары также могут образовываться в кулоновском поле электрона.

    В этом случае порог рождения e+e–пар в поле электрона равен 4mec2. Увеличение порога рождения e+e–пар в кулоновском поле электрона связано с тем, что энергию отдачи получает электрон, имеющий малую массу, и пренебречь ею уже нельзя. Образование пар в поле электрона имеет сравнительно малую вероятность. На рис. 4.

10 показана зависимость сечений образования e+e-‑пар на протоне и электроне в области энергий до 100 МэВ. С увеличением энергии γ-кванта разность сечений убывает.

Рис. 4.10. Эффективные сечения образования электронно-позитронных пар γ-квантами с энергией ≤100 МэВ на протоне и электроне.

    На рис. 4.11 приведено теоретически рассчитанное эффективное сечение образования электронно-позитронных пар γ-квантами на протоне, атомах водорода и свинца в области энергий до 106 МэВ.

Рис. 4.11. Эффективное сечение образования электронно-позитронных пар γ-квантами большой энергии на протоне σp и атомах водорода σH и свинца σPb.

    На рис. 4.12 показана вероятность P образования фотоном e+e-‑пар в веществе с различным зарядом ядер. Видно, что вероятность образования электрон-позитронной пары растет с ростом энергии фотона и увеличением заряда ядра и достигает предельного значения в области нескольких сотен МэВ.

Энергия γ-кванта (МэВ)

Рис. 4.12. Зависимость вероятности образования электрон-позитронной пары в кулоновском поле атомного ядра от заряда атомного ядра и энергии фотона.

Источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant04.htm