Электромагни́тное взаимоде́йствие или электромагнетизм — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Существует между частицами, обладающими электрическим зарядомЭлектромагнитное взаимодействие существует и между частицами, электрически нейтральными в целом (то есть с нулевым полным электрическим зарядом), но содержащими составные части, которые несут заряд, так что взаимодействие не сводится к нулю, хотя и быстро убывает с расстоянием. Например, нейтрон — нейтральная частица, однако он содержит в своём составе заряженные кварки и поэтому участвует в электромагнитном взаимодействии (в частности, обладает ненулевым магнитным моментом).. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля«Электромагнетизм» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг..
С точки зрения квантовой теории поляРаздел квантовой теории поля, описывающий электромагнитное взаимодействие, носит название квантовой электродинамики. Это образцовый, наиболее хорошо разработанный и поддающийся расчёту раздел квантовой теории поля, и вообще одна из наиболее успешных и точных — в смысле экспериментального подтверждения — областей теоретической физики. электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, но может взаимодействовать с другими фотонами путём обмена виртуальными электрон-позитронными парами.
Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W±-бозоны. Остальные фундаментальные частицы Стандартной Модели (все типы нейтрино, бозон Хиггса и переносчики взаимодействий: калибровочный Z0-бозон, фотон, глюоны) электрически нейтральны.
Электромагнитное взаимодействие отличается от слабогоСлабое взаимодействие быстро убывает из-за массивности его переносчиков — векторных W- и Z-бозонов. и сильногоСильное взаимодействие между кварками спадает с расстоянием ещё гораздо медленнее, а точнее, судя по всему, его сила вообще с расстоянием не спадает; однако все известные частицы, наблюдаемые в свободном состоянии, нейтральны в отношении «сильного заряда» — цвета — так как или совсем не содержат кварков, или включают несколько кварков, сумма цветов которых равна нулю, поэтому в основном поле сильного взаимодействия — глюонное поле — сосредоточено между «цветными» кварками — внутри составной частицы, а его «остаточная часть», распространяющаяся вовне — очень мала и быстро спадает. взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой в космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.
В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой.
Свойства В электромагнитном взаимодействии могут принимать участие только объекты, обладающие электрическим зарядом (в том числе и нейтральные в целом, но состоящие из заряженных частиц). Таковыми являются большинство известных фундаментальных элементарных частиц, в частности, все кварки, все заряженные лептоны (электрон, мюон и тау-лептон), а также заряженные калибровочные бозоны W±. По современным представлениям электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле, кванты которого — фотоны — являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.
В отличие от слабого и сильного взаимодействий, электромагнитное взаимодействие так же, как и гравитационное, является дальнодействующим. В частности, сила притяжения неподвижных противоположно заряженных тел спадает на больших расстояниях степенным образом — по закону обратного квадрата (см. закон Кулона). Дальнодействие электромагнитных сил обусловлено отсутствием массы у фотонов как переносчиков этого взаимодействия.
В микромире интенсивность (эффективное сечение) электромагнитного взаимодействия характеризуется величиной постоянной тонкой структуры (в СГСЭ): , где — элементарный электрический заряд, — постоянная Планка, — скорость света в вакууме. На уровне ядерных реакций по «силе» электромагнетизм занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействиями. Характерные времена распадов, вызванных электромагнитным взаимодействием, — около 10−12 — 10−20 с, в то время, как для сильного взаимодействия — порядка 10−23 с, а для слабого — 103 — 10−13 с. В качестве примера можно привести сравнение сечения рассеяния на протоне фотона с энергией 1 ГэВ и пиона с соответствующей полной энергией в системе центра масс. Для пиона, взаимодействие которого с протоном обусловлено сильным взаимодействием, сечение в раз больше.
Электромагнитное взаимодействие сохраняет пространственную чётность (так называемую Р-чётность), зарядовую чётность (так называемую C-чётность), а также такие квантовые числа, как странность, очарование, красота. Это отличает электромагнетизм от слабого взаимодействия. Одновременно, в отличие от сильного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие в процессах с адронами не сохраняет изотопический спин (сопровождаясь испусканием фотона, он может меняться на ±1 или 0) и нарушает G-чётность.
Наличие законов сохранения с учётом свойств фотонов накладывает определённые правила отбора на процессы с участием электромагнитного взаимодействия. Например, поскольку спин фотона равен 1, запрещены излучательные переходы между состояниями с нулевым моментом импульса. Необходимость сохранять зарядовую чётность приводит к тому, что системы с положительной зарядовой чётностью распадаются с испусканием только чётного количества фотонов, а с отрицательной зарядовой чётностью — только нечётного. В частности, парапозитроний распадается на два фотона, а ортопозитроний — на три (см. позитроний).
Роль в природе За счёт дальнодействия электромагнитное взаимодействие заметно проявляется как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Фактически, подавляющее большинство физических сил в классической механике — силы упругости, силы трения, силы поверхностного натяжения и т. д. — имеют электромагнитную природу.
Электромагнитное взаимодействие определяет большинство физических свойств макроскопических тел и, в частности, изменение этих свойств при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Электромагнитное взаимодействие лежит в основе химических превращений. Электрические, магнитные и оптические явления также сводятся к электромагнитному взаимодействию.
На микроскопическом уровне электромагнитное взаимодействие (с учётом квантовых эффектов) определяет структуру электронных оболочек атомов, структуру молекул, а также более крупных молекулярных комплексов и кластеров. В частности, величина элементарного электрического заряда определяет размеры атомов и длину связей в молекулах. Например, радиус Бора равен , где — электрическая постоянная, — постоянная Планка, — масса электрона, — элементарный электрический заряд.
Теоретическое описание
Классическая электродинамика
В большинстве случаев макроскопические электромагнитные процессы с необходимой степенью точности могут быть описаны в рамках классической электродинамики. В этом случае взаимодействующие объекты рассматриваются как совокупность материальных точек, характеризуемых помимо массы также и электрическим зарядом. При этом полагается, что взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля — отдельным видом материи, пронизывающим всё пространство.
Электростатика
Электростатика рассматривает взаимодействие неподвижных заряженных тел. Основным законом электростатики является закон Кулона, устанавливающий связь между силой притяжения/отталкивания двух заряженных материальных точек, величиной их заряда и расстоянием между ними. В математической форме закон Кулона имеет вид:
где — сила, с которой частица 1 действует на частицу 2, — величины зарядов частиц 1 и 2 соответственно, — радиус-вектор, проведённый из точки расположения частицы 1 в точку расположения частицы 2 ( — модуль этого вектора), — размерный коэффициент, значение которого зависит от используемой системы единиц, в СГС он равен 1, в СИ:
где — электрическая постоянная.
В рамках электростатики величина электрического поля, создаваемого точечным зарядом, определяется выражением:
где — напряжённость электрического поля в данной точке, — величина заряда частицы, создающей это поле, — радиус-вектор, проведённый из точки расположения частицы в точку, где определяется поле ( — модуль этого вектора).
Сила, действующая на заряженную частицу, помещённую в электрическое поле, определяется выражением:
где — величина электрического заряда частицы, — векторная сумма напряжённостей электрических полей, созданных всеми частицами (за исключением рассматриваемой) в точке, где находится частица.
В случае, если заряд распределён в некотором объёме с плотностью , то электростатическое поле, создаваемое им, может быть найдено из электростатической теоремы Гаусса, имеющей в дифференциальной форме в системе СГС следующий вид:
В присутствии поляризуемой диэлектрической среды величина электрического поля, создаваемого свободными зарядами, изменяется из-за влияния связанных зарядов, входящих в состав среды. Это изменение во многих случаях может быть охарактеризовано посредством введения вектора поляризации среды и вектора электрической индукции При этом выполняется следующее соотношение:
Теорема Гаусса в этом случае записывается в виде:
где под понимается плотность только свободных зарядов.
В большинстве случаев рассматриваемые поля значительно слабее внутриатомных полей, поэтому справедлива линейная связь между вектором поляризации и напряжённостью электрического поля в данной точке. Для изотропных сред математически этот факт выражается следующим равенством:
где — коэффициент, характеризующий поляризуемость данного диэлектрика при данных температуре и давлении. Аналогично, справедлива линейная связь между напряжённостью и индукцией:
где коэффициент носит название диэлектрической проницаемости.
С учётом поляризуемой среды приведённые выше формулы для силы электростатического взаимодействия и напряжённости электростатического поля принимают вид:
Магнитостатика
Магнитостатика изучает взаимодействие постоянных по величине и неподвижных в пространстве электрических токов, представляющих по своей сути поток заряженных частиц. В основе магнитостатики лежат закон Био — Савара — Лапласа и закон Ампера. Закон Био — Савара — Лапласа позволяет находить величину магнитного поля, создаваемого малым элементом тока. Если имеется линейный элемент тока длиною сила тока в котором равна то он создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, индукция которого определяется выражением:
где — радиус-вектор, проведённый от точки расположения элемента тока до точки пространства, в которой определяется магнитное поле ( — модуль этого радиус-вектора), — вектор, длина которого равна а направление совпадает с направлением тока (считая, что направление тока определяется движением положительно заряженных частиц), — константа, зависящая от выбора системы единиц: в системе СИ ( — магнитная постоянная), в системе СГС ( — скорость света в вакууме). Знаком × в квадратных скобках здесь и ниже обозначается векторное произведение.
Закон Ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле в данной точке действует на элемент тока: