Elektromagnetismi – sähkö- ja magneettivuorovaikutuksen perusteet

Sähkömagneettinen voima on peräisin jostain, jota kutsutaan sähkömagneettiseksi kentäksi. Fysiikassa kenttä on keino, jolla pidämme kirjaa asioista, jotka saattavat muuttua tilassa ja ajassa. Se on kuin joukko merkintöjä jokaiselle avaruuden pisteelle. Esimerkiksi huoneen ilman lämpötilaa voidaan kuvata kentällä, jossa merkinnät ovat vain numeroita, jotka kertovat, kuinka kuuma huoneen kyseisessä pisteessä on. Voisimme käyttää myös monimutkaisempia merkintöjä. Tuulen nopeutta kuvaavassa kartassa merkintä voisi olla numero, joka kertoo, kuinka voimakas tuuli on, ja lisäksi nuoli, joka kertoo, mihin suuntaan tuuli puhaltaa. Kutsumme tätä vektorikentäksi, koska jokainen merkintä on vektori - sillä on suunta (nuoli) ja suuruus (sen voimakkuus).

Sähkö- ja magneettikentät ovat myös kenttiä. Lämpötilan tai tuulen nopeuden seurannan sijaan ne kertovat meille, kuinka paljon varattu hiukkanen tuntee työntöä tai vetoa kyseisessä avaruuden kohdassa ja mihin suuntaan sitä työnnetään. Tuulen nopeuden tavoin myös sähkökentät ovat vektorikenttiä, joten ne voidaan piirtää nuolina. Nuolet osoittavat, mihin suuntaan positiivista hiukkasta, kuten protonia, työnnetään, jos se on kentässä. Negatiiviset hiukkaset, kuten elektronit, kulkevat nuolten osoittamaan suuntaan. Sähkökentässä nuolet osoittavat poispäin positiivisista hiukkasista ja kohti negatiivisia hiukkasia. Sähkökentässä oleva protoni siis siirtyisi poispäin toisesta protonista tai kohti elektronia. Samankaltaiset varaukset hylkivät (työntävät poispäin toisistaan), kun taas vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa (vetävät yhteen).

Magneettikentät ovat hieman erilaisia. Ne työntävät vain liikkuvia varauksia, ja ne työntävät enemmän nopeammin liikkuvia varauksia. Mutta ne eivät työnnä lainkaan paikoillaan olevia varauksia. Muuttuva magneettikenttä voi kuitenkin synnyttää sähkökentän, ja sähkökenttä voi työntää mitä tahansa varauksia. Tätä sähkömagneettiseksi induktioksi kutsuttua ajatusta käytetään sähkögeneraattoreiden, induktiomoottoreiden ja muuntajien toiminnassa. Sähkö- ja magneettikentät muodostavat yhdessä sähkömagneettisen kentän.

Vielä 1800-luvulla ihmiset ajattelivat, että sähkö ja magnetismi olivat kaksi eri asiaa. Kaikki kuitenkin muuttui, kun Hans Christian Ørstedin ja Michael Faradayn kaltaiset tiedemiehet osoittivat, että sähkö ja magnetismi todella liittyvät toisiinsa. Vuonna 1820 Ørsted havaitsi, että kun hän kytki paristosta tulevan sähkövirran päälle ja pois, se siirsi lähellä olevan kompassin neulaa. Kun hän tutki tätä vaikutusta tarkemmin, hän huomasi, että sähkövirta tuotti magneettikentän. Toisin sanoen, kun sähkövaraukset liikkuvat, ne voivat tuottaa voiman, joka työntää magneetteja. Ørsted oli löytänyt yhden ensimmäisistä sähkön ja magnetismin välisistä yhteyksistä.

Faraday jatkoi tämän yhteyden tutkimista tekemällä testejä lankasilmukoilla ja magneeteilla. Hän havaitsi, että jos hän asetti kaksi lankasilmukkaa ja johdatti sähköä vain toisen lankasilmukan läpi, hän pystyi (pienen hetken ajan) tuottamaan sähkövirran myös toiseen lankasilmukkaan. Faraday havaitsi myös, että hän pystyi tuottamaan sähkövirtaa liikuttamalla magneettia lankasilmukan läpi tai liikuttamalla lankaa magneetin päällä. Faraday oli osoittanut, että magneetit voivat työntää liikkuvia sähkövarauksia takaisin ja että liikkuvat magneetit voivat työntää paikallaan olevia varauksia. Tämä oli sama kuin Ørstedin havainto, mutta päinvastoin.

Vuonna 1873 James Clerk Maxwell kiteytti nämä yhteydet teoriaansa "klassisesta sähkömagnetismista", sähköstä ja magnetismista yhdessä. Tämä teoria perustui neljään yhtälöön, joita kutsutaan Maxwellin yhtälöiksi, ja Lorentzin voimalakiin. Maxwellin yhtälöt kertoivat, miten sähkö ja magnetismi voidaan liittää toisiinsa. Niiden mukaan paikallaan olevat varaukset voivat työntää toisia varauksia, mutta liikkuvat varaukset voivat tuottaa magneettikenttiä, jotka työntävät magneetteja. Toisaalta paikallaan olevat magneetit voivat työntää vain liikkuvia varauksia, mutta liikkuvat magneetit voivat työntää mitä tahansa sähkövarauksia.

Lisäksi Maxwellin tutkimukset osoittivat, että valoa voidaan kuvata sähkömagneettisen kentän aaltoiluna. Toisin sanoen valo liikkuu kuin aalto. Maxwellin työ ei kuitenkaan ollut sopusoinnussa klassisen mekaniikan eli Newtonin alun perin kehittämän voimien ja liikkeen kuvauksen kanssa. Maxwellin yhtälöt ennustivat, että valo liikkuu tyhjässä avaruudessa aina samalla nopeudella. Tämä oli ongelma, koska klassisessa mekaniikassa nopeudet ovat "additiivisia" - jos henkilö A junassa, joka liikkuu nopeudella X, heittää pallon nopeudella Y, maassa oleva henkilö B näkee, että pallo liikkuu nopeudella X+Y. Tämä oli ongelma, koska klassisessa mekaniikassa nopeudet ovat "additiivisia". Maxwellin mukaan, jos henkilö A sytyttää taskulampun, hän näkee valon liikkuvan hänestä poispäin nopeudella c. Mutta maassa olevan henkilön B on myös nähtävä valon liikkuvan nopeudella c, ei c+X. Tämä johti siihen, että Einstein kehitti erityisen suhteellisuusteorian, joka selitti, miten valon nopeus voi olla sama kaikille ja miksi klassinen mekaniikka ei toimi hyvin nopeasti liikkuvissa asioissa.

Klassisen sähkömagnetismin ongelmat

Albert Einsteinin valosähköistä ilmiötä koskeva työ ja Max Planckin mustan kappaleen säteilyä koskeva työ eivät sopineet yhteen perinteisen näkemyksen kanssa, jonka mukaan valo on jatkuva aalto. Tämä ongelma ratkaistaisiin kvanttimekaniikan kehittämisen jälkeen vuonna 1925. Tämä kehitys johti Richard Feynmanin ja Julian Schwingerin kehittämän kvanttisähködynamiikan kehittämiseen. Kvanttielektrodynamiikka pystyi kuvaamaan hiukkasten vuorovaikutukset yksityiskohtaisesti.

Sähkömagneettisen säteilyn ajatellaan olevan sekä hiukkanen että aalto. Tämä johtuu siitä, että se käyttäytyy joskus hiukkasena ja joskus aaltona. Helpottaaksemme asiaa voimme ajatella sähkömagneettisen aallon olevan fotonien virta (symboli γ).

Fotonit

Fotoni on alkeishiukkanen, mikä tarkoittaa, että sitä ei voida hajottaa pienemmiksi hiukkasiksi. Se on hiukkanen, josta valo koostuu. Fotonit muodostavat myös kaikki muut sähkömagneettisen säteilyn lajit, kuten gamma-, röntgen- ja UV-säteet. Einstein keksi ajatuksen fotoneista. Valosähköisen ilmiön teoriansa avulla Einstein sanoi, että valo on olemassa pieninä "paketteina" tai paketteina, joita hän kutsui fotoneiksi.

Fotoneilla on energiaa ja vauhtia. Kun kaksi varattua esinettä työntää tai vetää toisiaan, ne lähettävät fotoneja edestakaisin. Fotonit siis välittävät sähkömagneettista voimaa varattujen kappaleiden välillä. Fysiikassa fotoneja kutsutaan myös viestihiukkasiksi, koska ne kuljettavat usein viestejä esineiden välillä. Fotonit lähettävät viestejä, joissa sanotaan "tule lähemmäs" tai "mene pois", riippuen tarkasteltavien kappaleiden varauksista. Jos voima on olemassa ajan kulumisen aikana, fotoneita vaihdetaan tuona aikana.

Sähkömagneettisia perusvuorovaikutuksia esiintyy minkä tahansa kahden hiukkasen välillä, joilla on sähkövaraus. Näihin vuorovaikutuksiin liittyy fotonien vaihtoa tai tuotantoa. Fotonit ovat siis sähkömagneettisten vuorovaikutusten kantajahiukkasia.

Sähkömagneettiset hajoamisprosessit voidaan usein tunnistaa siitä, että ne tuottavat yhden tai useamman fotonin (tunnetaan myös gammasäteinä). Ne etenevät hitaammin kuin voimakkaat hajoamisprosessit, joilla on vastaava massaero, mutta nopeammin kuin vastaavat heikot hajoamiset.