Elektromanyetizma Nedir? Elektrik ve Manyetizmanın Tarihsel Gelişimi

    Elektromanyetizma, yük bilimi ve yük ile ilişkili kuvvetler ve alanlar. Elektrik ve manyetizma, elektromanyetizmanın iki yönüdür.

    Elektrik ve manyetizmanın uzun zamandır ayrı kuvvetler olduğu düşünülüyordu. 19. yüzyıla kadar, nihayet birbirleriyle ilişkili fenomenler olarak ele alınmadılar. 1905'te Albert Einstein'ın özel görelilik teorisi, her ikisinin de ortak bir fenomenin yönleri olduğunu şüpheye yer bırakmayacak şekilde kurdu. Ancak pratik düzeyde, elektrik ve manyetik kuvvetler oldukça farklı davranır ve farklı denklemlerle tanımlanır. Elektrik kuvvetleri, durağan veya hareket halindeki elektrik yükleri tarafından üretilir. Manyetik kuvvetler ise yalnızca hareketli yükler tarafından üretilir ve yalnızca hareket halindeki yüklere etki eder.

    Elektriksel olaylar nötr maddelerde bile meydana gelir çünkü kuvvetler tek tek yüklü bileşenler üzerinde etki eder. Özellikle elektrik kuvveti, atom ve moleküllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çoğundan sorumludur. Örneğin, birbirinden iki metre ( iki yarda ) uzakta duran 70 kilogramlık ( 154 pound ) iki insandaki her bir milyar molekülden sadece bir elektronun yokluğu, onları 30.000 tonluk bir kuvvetle itecektir. Daha tanıdık bir ölçekte, elektriksel olaylar belirli fırtınalara eşlik eden şimşek ve gök gürültüsünden sorumludur.

    Elektrik ve manyetik alan adı verilen bölgelerde elektrik ve manyetik kuvvetler tespit edilebilir . Bu alanlar doğası gereği temeldir ve onları oluşturan yük veya akımdan uzakta uzayda var olabilir. Dikkat çekici bir şekilde, elektrik alanları herhangi bir harici yükten bağımsız olarak manyetik alanlar üretebilir ve bunun tersi de geçerlidir . İngiliz fizikçi Michael Faraday'ın elektrik enerjisi üretiminin temelini oluşturan çalışmada keşfettiği gibi, değişen bir manyetik alan bir elektrik alanı üretir . Tersine, İskoç fizikçi James Clerk Maxwell'in dediği gibi, değişen bir elektrik alanı bir manyetik alan üretir. Maxwell tarafından formüle edilen matematiksel denklemler, ışık ve dalga olgularını elektromanyetizmaya dahil etti. Elektrik ve manyetik alanların uzayda dalgalar halinde birlikte hareket ettiğini gösterdi. Elektromanyetik radyasyonda, değişen alanlar karşılıklı olarak birbirlerini sürdürürler. Uzayda maddeden bağımsız olarak hareket eden elektromanyetik dalgalara örnek olarak radyo ve televizyon dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi ışınlar, görünür ışık, ultraviyole ışık, X-ışınları ve gama ışınları verilebilir. Tüm bu dalgalar aynı hızda, ışık hızında ( saniyede yaklaşık 300.000 kilometre veya 186.000 mil ) hareket eder. Birbirlerinden sadece elektrik ve manyetik alanlarının salınım sıklığı bakımından farklıdırlar.

    Maxwell'in denklemleri hala elektromanyetizmanın atom altı ölçeğe kadar eksiksiz ve zarif bir tanımını sağlar, ancak atom altı ölçeği içermez. Bununla birlikte, çalışmalarının yorumlanması 20. yüzyılda genişledi. Einstein'ın özel görelilik kuramı, elektrik ve manyetik alanları tek bir ortak alanda birleştirdi ve tüm maddelerin hızını elektromanyetik radyasyonun hızıyla sınırladı. 1960'ların sonlarında fizikçiler, doğadaki diğer kuvvetlerin elektromanyetik alana benzer matematiksel yapıya sahip alanlara sahip olduğunu keşfettiler. Bu diğer kuvvetler, nükleer füzyonda açığa çıkan enerjiden sorumlu olan güçlü kuvvettir ve Kararsız atom çekirdeklerinin radyoaktif bozunmasında gözlenen zayıf kuvvet. Özellikle, zayıf ve elektromanyetik kuvvetler, elektrozayıf kuvvet adı verilen ortak bir kuvvette birleştirilmiştir. Pek çok fizikçinin yerçekimi de dahil olmak üzere tüm temel kuvvetleri tek bir birleşik teoride birleştirme amacına bugüne kadar ulaşılamadı.

    Elektromanyetizmanın önemli bir yönü, yükün madde içindeki dağılımı ve yükün bir yerden bir yere hareketi dahil olmak üzere, yük kümelerinin davranışıyla ilgilenen elektrik bilimidir . Farklı malzeme türleri, yüklerin kendilerini oluşturan maddelerde serbestçe hareket edip edememelerine göre iletken veya yalıtkan olarak sınıflandırılır. Elektrik akımı, yüklerin akışının ölçüsüdür; maddedeki akımları yöneten yasalar teknolojide, özellikle enerjinin üretimi, dağıtımı ve kontrolünde önemlidir.

    Gerilim kavramı, yük ve akım gibi, elektrik biliminin temelidir. Voltaj, yükün bir yerden diğerine akma eğiliminin bir ölçüsüdür ; pozitif yükler genellikle yüksek voltajlı bir bölgeden daha düşük voltajlı bir bölgeye hareket etme eğilimindedir. Elektrikte yaygın bir sorun, belirli bir fiziksel durumda voltaj ve akım veya yük arasındaki ilişkiyi belirlemektir.

    Bu makale, elektromanyetizmanın nitel bir anlayışının yanı sıra elektromanyetik fenomenlerle ilişkili büyüklükler için nicel bir değerlendirme sağlamayı amaçlamaktadır.

Temelleri

    Gündelik modern yaşam, elektromanyetik fenomenlerle doludur. Zaman Ampul açıldığında, ampuldeki ince bir filamandan bir akım geçer ve akım, filamanı o kadar yüksek bir sıcaklığa ısıtır ki , çevresini aydınlatarak parlar . Elektrikli saatler ve bağlantılar, bu tür basit cihazları, zamanlanmış ve araç akış hızıyla senkronize edilmiş trafik ışıkları gibi karmaşık sistemlere bağlar. Radyo ve televizyonlar , uzayda ışık hızında hareket eden elektromanyetik dalgalar tarafından taşınan bilgileri alırlar . Bir otomobili çalıştırmak için , bir elektrikli marş motoru, benzin ve havanın patlayıcı bir karışımını sıkıştırmak için motor şaftını döndüren ve motor pistonlarını çalıştıran manyetik alanlar üretir ; Yanmayı başlatan kıvılcım , anlık bir akım akışı oluşturan bir elektrik boşalmasıdır.

Coulomb yasası

    Bu cihazların ve olayların çoğu karmaşıktır, ancak elektromanyetizmanın aynı temel yasalarından türemişlerdir. Bunların en önemlilerinden biri Coulomb yasasıdır - yüklü nesneler arasındaki elektrik kuvveti. 18. yüzyıl Fransız fizikçisi Charles Augustin de Coulomb tarafından formüle edilen bu yasa, Newton'un yerçekimi kuvveti yasasına benzer. Hem yerçekimi hem de elektrik kuvvetleri nesneler arasındaki mesafenin karesi ile azalır ve her iki kuvvet de aralarındaki bir çizgi boyunca etki eder. Ancak Coulomb yasasında, elektrik kuvvetinin büyüklüğü ve işareti bir nesnenin kütlesinden ziyade yükü tarafından belirlenir. Dolayısıyla yük, elektromanyetizmanın yüklü nesnelerin hareketini nasıl etkilediğini belirler. ( Yük, maddenin temel bir özelliğidir. Maddenin her bileşeni pozitif, negatif ya da sıfır olabilen bir elektrik yüküne sahiptir. Örneğin, elektronlar negatif yüklüdür ve atom çekirdekleri pozitif yüklüdür. Çoğu madde eşit miktarda pozitif ve negatif yüke ve dolayısıyla sıfır net yüke sahiptir ).

    Coulomb'a göre, durağan yükler için elektrik kuvveti aşağıdaki özelliklere sahiptir:

    ( 1 ) Benzer yükler birbirini iter ve farklı yükler birbirini çeker. Böylece, iki negatif yük birbirini iterken, pozitif bir yük negatif bir yükü çeker.

    ( 2 ) Çekme veya itme, iki yük arasındaki çizgi boyunca hareket eder.

    ( 3 ) Kuvvetin boyutu, iki yük arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak değişir. Bu nedenle, iki yük arasındaki mesafe iki katına çıkarsa, çekim veya itme zayıflar ve orijinal değerin dörtte birine düşer. Yükler 10 kat daha yakına gelirse, kuvvetin boyutu 100 kat artar.

    ( 4 ) Kuvvetin büyüklüğü, her bir yükün değeri ile orantılıdır. Yükü ölçmek için kullanılan birim coulomb'dur ( C ). Biri 0,1 coulomb ve ikincisi 0,2 coulomb olmak üzere iki pozitif yük olsaydı, birbirlerini 0,2 × 0,1 çarpımına bağlı bir kuvvetle iterlerdi. Eğer suçlamaların her biri yarı yarıya düşürülürse, itme, eski değerinin dörtte birine indirilecekti.

    Statik yapışma, bunun pratik bir örneğidir. Statik tutunmada, sentetik malzemeden yapılmış giysiler, özellikle kuru kış havasında bir yük toplar. Saçtan hızla geçen plastik veya kauçuk bir tarak da şarj olur ve kağıt parçalarını toplar . Sentetik kumaş ve tarak yalıtkandır ; Bu nesneler üzerindeki yük, nesnenin bir bölümünden diğerine kolayca hareket edemez. Benzer şekilde, bir ofis fotokopi makinesi , mürekkep parçacıklarını kağıda çekmek için elektrik kuvveti kullanır.

Yükün korunumu ilkesi

    Coulomb yasası gibi, yük korunumu ilkesi de temel bir doğa yasasıdır . Bu ilkeye göre, yalıtılmış bir sistemin yükü değişemez. Bir sistem içinde ek bir pozitif yüklü parçacık ortaya çıkarsa, aynı anda aynı büyüklükte negatif yüklü bir parçacık oluşturulacaktır; böylece, yükün korunumu ilkesi korunur. Doğada, yüksek enerjili radyasyon madde ile etkileşime girdiğinde bir çift zıt yüklü parçacık oluşur; çift ​​üretim olarak bilinen bir süreçte bir elektron ve bir pozitron oluşturulur..

    Bir parçacığın sahip olabileceği yük miktarının en küçük alt bölümü bir protonun yüküdür, +1.602 × 10^-19 coulomb. Bu elektron aynı büyüklükte ancak zıt işaretli bir yüke sahiptir - yani -1,602 × 10^-19 coulomb. Sıradan bir el feneri pili, bitmeden önce 10.22'den fazla elektrona karşılık gelen yaklaşık 5.000 Coulomb'luk toplam yük akışı sağlayan bir akım sağlar.

    Elektrik akımı, örneğin bir telden geçen yük gibi, yük akışının bir ölçüsüdür. Akımın boyutu ölçülür amper ve i ile sembolize edilir . Bir amper akım, saniyede bir coulomb şarjın geçişini veya saniyede 6,2 milyar milyar elektronun ( 6,2 × 10¹⁸ elektron ) geçişini temsil eder . Bir akım, pozitif yüklerin akışı yönünde olduğunda pozitiftir; yönü, negatif yüklerin akışının tersidir.

Yükün korunumu ilkesi

    Bununla birlikte, kuvvet ve korunum yasaları, elektromanyetizmanın yalnızca iki yönüdür. Elektrik ve manyetik kuvvetler elektromanyetik alanlardan kaynaklanır. Alan terimi uzayın bir özelliğini belirtir , böylece alan miktarı uzayın her noktasında sayısal bir değere sahip olur. Bu değerler zamana göre de değişiklik gösterebilir. Elektrik veya manyetik alanın değeri bir vektördür , yani hem büyüklüğü hem de yönü olan bir miktardır. Örneğin, uzaydaki bir noktadaki elektrik alanın değeri, uzayda o konumda bir birim yüke uygulanacak kuvvete eşittir.

    Her yüklü nesne, çevreleyen alanda bir elektrik alanı oluşturur. İkinci bir yük bu alanın varlığını "hissediyor". İkinci yük, yüklerin işaretlerine bağlı olarak ya ilk yüke doğru çekilir ya da ondan itilir. Tabii ki, ikinci yük de bir elektrik alanına sahip olduğundan, birinci yük varlığını hisseder ve ikinci yük tarafından da ya çekilir ya da itilir.

    Bir yükün elektrik alanı, yük pozitif olduğunda yükten uzağa, negatif olduğunda yüke doğru yönlendirilir. Durgun haldeki bir yükün elektrik alanı, uzaydaki çeşitli konumlar için Şekil 1'de gösterilmiştir. Oklar elektrik alan yönünü gösterir ve okların uzunluğu okların orta noktasındaki alanın gücünü gösterir.

    Elektrik alanına pozitif bir yük yerleştirilseydi, alan yönünde bir kuvvet hissederdi. Negatif bir yük, alanın yönünün tersi yönde bir kuvvet hissedecektir.

    Hesaplamalarda, doğrudan elektrik alanıyla ilgilenmek, yüklerle uğraşmaktan daha uygundur. Sıklıkla, alan hakkında, yüklerin uzaydaki dağılımından daha çok şey bilinir. Örneğin, iletkenlerdeki yüklerin dağılımı genellikle bilinmez çünkü yükler iletken içinde serbestçe hareket eder. Bununla birlikte, statik durumlarda, dengedeki bir iletkendeki elektrik alanı belirli bir değere sahiptir, sıfırdır, çünkü iletken içindeki yükler üzerindeki herhangi bir kuvvet, alan kaybolana kadar onları yeniden dağıtır. Elektrik alanın birimi, Coulomb başına Newton veya metre başına volttur.

    Bu elektrik potansiyeli başka bir yararlı alandır. Elektrostatik problemlerinde elektrik alana bir alternatif sağlar. Bununla birlikte, potansiyeli kullanmak daha kolaydır, çünkü bir vektör yerine tek bir sayıdır, bir skalerdir. İki yer arasındaki potansiyel farkı, yüklerin bir yerden diğerine hareket etme derecesini ölçer. Potansiyel iki yerde aynıysa ( yani, yerler aynı voltaja sahipse ), yüklerin bir yerden başka bir yere taşınmasından etkilenmeyecektir. Bir nesne üzerindeki veya uzayın herhangi bir noktasındaki potansiyel volt olarak ölçülür; bir birim yükün o konumda sahip olacağı elektrostatik enerjiye eşittir . Tipik bir 12 voltluk araç aküsünde , + işaretiyle işaretlenen akü terminali, - işaretiyle işaretlenen terminalin potansiyelinden 12 volt daha büyük bir potansiyeldedir. Bir araba farının filamanı gibi bir tel akünün + ve - terminalleri arasına bağlandığında, yükler filaman boyunca bir elektrik akımı olarak hareket eder ve filamanı ısıtır ve sıcak filaman ışık yayar.

Manyetik alanlar ve kuvvetler

    Manyetik kuvvet sadece halihazırda hareket halinde olan yükleri etkiler . Manyetik alan tarafından iletilir. Hem manyetik alanlar hem de manyetik kuvvetler, elektrik alanlarından ve elektrik kuvvetlerinden daha karmaşıktır. Manyetik alan, alan kaynağının yönünü göstermez; bunun yerine, dikey bir yönü işaret eder. Ek olarak, manyetik kuvvet, alanın yönüne dik bir yönde etki eder. Karşılaştırıldığında, hem elektrik kuvveti hem de elektrik alanı doğrudan yüke doğru veya yükten uzağa işaret eder.

    Mevcut tartışma, manyetik alanın bir teldeki bir yük akımı tarafından üretildiği basit durumları ele alacaktır. Bakır, gümüş ve alüminyum gibi belirli malzemeler, yükün bir yerden bir yere serbestçe akmasına izin veren iletkenlerdir. Bir dış etki bir iletkende bir akım oluşturursa, akım bir manyetik alan oluşturur. Uzun düz bir tel için, manyetik alan, tele dik bir düzlemde teli çevreleyen bir yöne sahiptir. Manyetik alanın gücü telden uzaklaştıkça azalır. Şekil 2'deki oklar, belirtilen yönde hareket eden bir akım için manyetik alanın boyutunu ve yönünü temsil eder. Şekil 2A , akımın okuyucuya doğru geldiği uçtan bir görünümü gösterirken, Şekil 2B , tel boyunca bir konumdaki manyetik alanın üç boyutlu bir görünümünü sağlar.

    Sonraki şekillerde , elektrik ve manyetik alanların yönünü temsil etmek için sürekli çizgiler kullanılacaktır. Bu çizgiler, elektrik alanlarının pozitif yüklerle başlayıp negatif yüklerle sona erdiğini, manyetik alanların ise başlangıçları veya sonları olmadığını ve kendi kendilerine kapandıklarını vurgulamaktadır. Şekil 2'de gösterilen manyetik alan alışılmadık derecede basittir. Elektrik akımlarını taşımak için uygun iletken seçimi ile oldukça karmaşık ve kullanışlı manyetik alanlar üretilebilir. Geliştirilmekte olan, ışık çekirdeklerinin füzyonundan hidrojen izotoplarının çok sıcak plazmaları şeklinde enerji elde etmek için termonükleer füzyon reaktörleridir. Plazmaların manyetik alanlarla ( "manyetik şişeler" olarak adlandırılır ) sınırlandırılması gerekir, çünkü hiçbir malzeme kabı bu kadar yüksek sıcaklıklara dayanamaz. Yüklü parçacıklar da doğada manyetik alanlarla çevrilidir. Çoğunlukla protonlar ve elektronlar olmak üzere çok sayıda yüklü parçacık, manyetik alanı tarafından Dünya'nın etrafındaki devasa bantlarda tutulur . Bu bantlar Van Allen radyasyon kuşakları olarak bilinir. . Dünya'nın sınırlayıcı manyetik alanının bozulması , içinde sıkışan yüklü parçacıkların serbest kaldığı ve atmosferden Dünya'ya çarptığı kuzey ışıkları olarak adlandırılan muhteşem görüntüler üretir.

Manyetik alanın bir yük ile etkileşimi

    Manyetik alan yüklü bir cisimle nasıl etkileşir? Yük hareketsiz durumdaysa, etkileşim yoktur. Ancak yük hareket ederse, boyutu yükün hızıyla doğru orantılı olarak artan bir kuvvete maruz kalır. Kuvvet, hem yükün hareket yönüne hem de manyetik alanın yönüne dik olan bir yöne sahiptir. Belirli bir hareket yönü için böyle bir kuvvet için iki olası tam zıt yön vardır. Bu belirgin belirsizlik , iki yönden birinin hareketli bir pozitif yük üzerindeki kuvvete, diğer yönün ise hareketli bir negatif yük üzerindeki kuvvete uygulanması gerçeğiyle çözülür. Şekil 3, harekete dik bir manyetik alanda hareket ederken pozitif yükler ve negatif yükler üzerindeki manyetik kuvvetin yönlerini göstermektedir.

    Parçacık hızının manyetik alana ilk yönelimine bağlı olarak, düzgün bir manyetik alanda sabit bir hıza sahip yükler dairesel veya sarmal bir yol izleyecektir.

    Tellerdeki elektrik akımları, manyetik alanların tek kaynağı değildir. Doğal olarak oluşan mineraller manyetik özellikler sergiler ve manyetik alanlara sahiptir. Bu manyetik alanlar, malzemenin atomlarındaki elektronların hareketinden kaynaklanır. Ayrıca, tek tek elektronların içsel dönüşüyle ilgili olan manyetik dipol momenti adı verilen elektronların bir özelliğinden kaynaklanırlar. Çoğu malzemede, çeşitli kurucu atomların rastgele yönelimi nedeniyle maddenin dışında çok az alan gözlenir veya hiç gözlenmez . Bununla birlikte, demir gibi bazı malzemelerde , belirli mesafelerdeki atomlar belirli bir yönde hizalanma eğilimindedir.

    Mıknatısların, ev buzdolaplarında oyuncak ve kağıt tutucu olarak kullanılmasından, parçacıkları hızlandırabilen elektrik jeneratörleri ve makinelerdeki temel bileşenlere, ışığın hızına yaklaşan hızlara kadar çok sayıda uygulaması vardır. Manyetizmanın teknolojideki pratik uygulaması, motorlar gibi cihazlarda elektrik akımı olan demir ve diğer ferromanyetik malzemeler kullanılarak büyük ölçüde geliştirilmiştir . Bu malzemeler, akımlar tarafından üretilen manyetik alanı güçlendirir ve böylece daha güçlü alanlar yaratır.

    Birçok olayda ve uygulamada elektrik ve manyetik etkiler birbirinden iyi ayrılsa da, hızlı zaman dalgalanmaları olduğunda bunlar birbirine çok yakın bir şekilde bağlanır. Faraday'ın indüksiyon yasası, zamanla değişen bir manyetik alanın nasıl bir elektrik alanı ürettiğini açıklar. Önemli pratik uygulamalar arasında elektrik jeneratörü ve transformatör bulunur . Bir jeneratörde, manyetik alanın fiziksel hareketi, güç için elektrik üretir . Bir transformatörde elektrik gücü , bir devrenin manyetik alanı tarafından başka bir devrede elektrik akımı indükleyerek bir voltaj seviyesinden diğerine dönüştürülür .

    Elektromanyetik dalgaların varlığı, elektrik ve manyetik alanlar arasındaki etkileşime bağlıdır. Maxwell , zamanla değişen bir elektrik alanının bir manyetik alan ürettiğini öne sürdü. Teorisi, zamanla değişen her alanın diğer alanı ürettiği elektromanyetik dalgaların varlığını öngördü. Örneğin, radyo dalgaları , antenlerde hızla salınan akımların akmasına neden olan osilatörler olarak bilinen elektronik devreler tarafından üretilir ; hızla değişen manyetik alan, ilişkili bir değişken elektrik alanına sahiptir. Sonuç, radyo dalgalarının uzaya yayılmasıdır.

    Birçok elektromanyetik cihaz, iletkenler ve diğer elemanlardan oluşan devrelerle tanımlanabilir. Bu devreler , bir el fenerinde olduğu gibi sabit bir akım akışıyla veya zamanla değişen akımlarla çalışabilir . Devrelerdeki önemli unsurlar arasında elektromotor kuvvetler olarak adlandırılan güç kaynakları ; belirli bir voltaj için akımın akışını kontrol eden dirençler ; yük ve enerjiyi geçici olarak depolayan kapasitörler ; ve elektrik enerjisini sınırlı bir süre için depolayan indüktörler. Bu elemanlara sahip devreler tamamen cebir ile tanımlanabilir. 

    Elektrik alanı E ve manyetik alan B gibi vektör alanlarıyla ilişkili iki matematiksel nicelik, elektromanyetik fenomenleri tanımlamak için kullanışlıdır. Bunlar, böyle bir alanın bir yüzey boyunca akısı ve alanın bir yol boyunca integral çizgisidir. Bir alanın yüzeyden akışı, alanın ne kadarının yüzeyden geçtiğini ölçer; yüzeyin her küçük bölümü için akı, o bölümün alanıyla orantılıdır ve ayrıca bölümün ve alanın göreli yönelimine de bağlıdır. Bir yol boyunca bir alanın çizgi integrali , alanın yolla hizalanma derecesini ölçer; yolun her küçük bölümü için, o bölümün uzunluğuyla orantılıdır ve ayrıca alanın yolun o bölümüyle hizalanmasına da bağlıdır. Alan yola dik olduğunda, çizgi integraline katkı yoktur. E ve B'nin bir yüzey boyunca akıları ve bu alanların bir yol boyunca çizgi integralleri elektromanyetik teoride önemli bir rol oynar. Örnek olarak, E elektrik alanının kapalı bir yüzeyden akışı, yüzeyin içerdiği yük miktarını ölçer; B manyetik alanının kapalı bir yüzeyden akışı her zaman sıfırdır, çünkü yükün bir elektrik alanı kaynağı olması gibi manyetik alan kaynakları olarak hareket edecek manyetik monopoller ( tek bir kutuptan oluşan manyetik yükler ) yoktur.

Değişen manyetik alanların etkileri

    Elektrik ve manyetizmanın farklı fenomenlerden elektromanyetizmayla birleşmesi, birbiriyle yakından ilişkili üç olaya bağlıdır. Birincisi, Hans Christian Ørsted'in bir elektrik akımının manyetik iğne üzerindeki etkisini, yani manyetik alanların elektrik akımları tarafından üretildiğini tesadüfen keşfetmesiydi . Ørsted'in gözlemine ilişkin 1820 tarihli raporu, bilim adamlarının manyetik alanların akımları indükleyebileceğini kanıtlamak için yoğun çabalarını teşvik etti. İkinci olay Faraday'ın, değişen bir manyetik alanın bir devrede akım indükleyebileceğine dair deneysel kanıtı oldu. Üçüncüsü, Maxwell'in değişen bir elektrik alanının ilişkili bir manyetik alana sahip olduğu yönündeki tahminiydi. Elektrik gücünün ve radyo iletişiminin gelişimine atfedilen teknolojik devrim, bu üç dönüm noktasına kadar izlenebilir.

Faraday'ın indüksiyon yasası

    Faraday'ın 1831'de manyetik indüksiyon fenomenini keşfetmesi, doğayı anlama ve kullanma arayışındaki en büyük kilometre taşlarından biridir. Basitçe ifade etmek gerekirse, Faraday ( 1 ) bir devrede değişen bir manyetik alanın devrede bir elektromotor kuvveti indüklediğini; ve ( 2 ) elektromotor kuvvetin büyüklüğü, manyetik alanın devre boyunca akısının değişme hızına eşittir. Akı, devreden ne kadar alanın geçtiğinin bir ölçüsüdür. Elektromotor kuvvet volt cinsinden ölçülür ve denklemle temsil edilir.

emf = - dΦ/dt .    ( 1 )

    Elektromanyetik kuvvetin ilk doğru anlaşılması, Fransız fizikçi Charles Coulomb'un 18. yüzyıla kadar uzanıyor.

    Burada, Φ, B vektör alanının devre boyunca akışı , alanın ne kadarının devreden geçtiğini ölçer. Akışın anlamını göstermek için, A alanının dairesel bir halkasından düzenli bir yağmurdan ne kadar su geçeceğini hayal edin . Halka su damlalarının yoluna paralel yerleştirildiğinde halkanın içinden su geçmez. Yağmur damlalarının halkadan geçtiği maksimum hız, yüzey damlaların hareketine dik olduğunda meydana gelir. Yüzeyi geçen su damlalarının hızı, ρ v  vektör alanının o yüzey boyunca akışıdır, burada ρ su damlalarının yoğunluğudur ve v suyun hızını temsil eder.. Açıkça, v ile yüzey arasındaki açı , akıyı belirlemede esastır. Yüzeyin yönünü belirtmek için , büyüklüğü metrekare cinsinden yüzey alanı A olacak ve yönü yüzeye dik olacak şekilde bir A vektörü tanımlanır. Yağmur damlalarının yüzeyden geçme hızı ρ v cos θ A'dır , burada θ v ile A arasındaki açıdır . Vektör gösterimini kullanarak , akı ρ v · A'dır . Manyetik alan için, d A vektörü ile temsil edilen küçük bir alandan geçen akı miktarıB · d A tarafından verilir . Tek bir tel dönüşünden oluşan bir devre için, tel ile çevrili tüm yüzeyden gelen katkıların eklenmesi, denklem ( 1 )'in manyetik akısını Φ verir. Bu akının değişim hızı, indüklenen elektromotor kuvvetidir. Manyetik akı birimleri weber'dir ve bir weber metrekare başına bir tesla'ya eşittir. Son olarak, denklem ( 1 ) 'deki eksi işareti , indüklenen elektromotor kuvvetinin ve dolayısıyla herhangi bir indüklenen akımın yönünü gösterir. Endüklenen akım tarafından üretilen devreden geçen manyetik akı, devredeki toplam akının değişmesini önleyecek herhangi bir yöndedir. ( 1 ) denklemindeki eksi işareti Manyetik sistemler için Lenz yasasının bir örneğidir. Rusya doğumlu fizikçi Heinrich Friedrich Emil Lenz tarafından çıkarılan bu yasa, “olan şey, sistemdeki herhangi bir değişikliğe karşı çıkan şeydir” diyor.

    Faraday yasası, manyetik akının değişmesine neden olan süreç ne olursa olsun geçerlidir. Mıknatıs bir devreye daha yakın hareket ettirilebilir veya bir devre bir mıknatısa yaklaştırılabilir. Şekil 4 , iletken bir halkanın yanına getirilen bir mıknatısı gösterir ve indüklenen akımın ve alanın yönünü verir, böylece hem Faraday hem de Lenz yasalarını gösterir. Diğer bir alternatif , devrenin sabit bir harici manyetik alanda boyut olarak değişebilmesi veya alternatif akım ( AC ) üretimi durumunda olduğu gibi, devrenin bir manyetik alanda dönen bir iletken tel bobini olabilmesidir, böylece akı Φ zamanla sinüzoidal olarak değişir.

    Bir devreden geçen manyetik akı Φ, denklem ( 1 ) 'de verilen Faraday yasasının uygulanmasında dikkatlice düşünülmelidir. Örneğin, bir devre birbirine yakın beş dönüşlü bir bobinden oluşuyorsa ve φ tek bir dönüşten geçen manyetik akı ise, Faraday yasasında kullanılması gereken beş dönüşlü devre için Φ değeri Φ = 5φ'dir. Beş dönüş aynı boyutta değilse ve yakın aralıklarla yerleştirilmişse, Φ belirleme sorunu oldukça karmaşık olabilir.

Öz endüktans ve karşılıklı endüktans

    Bir devrenin kendi kendine endüktansı, devrenin devredeki değişen bir akıma tepkisini tanımlamak için kullanılırken, ikinci bir devreye göre karşılıklı endüktans, ikinci devrede değişen bir akıma tepkiyi tanımlar. Devre 1'de bir akım i₁ aktığında, i₁ bir manyetik alan B₁ üretir; akım i₁ nedeniyle devre 1'den geçen manyetik akı Φ₁₁'dir. B₁ i₁ ile orantılı olduğundan , Φ₁₁ de öyledir. Orantılılık sabiti, devrenin L₁ öz endüktansıdır. Denklem ile tanımlanır

Φ₁₁ = L₁i₁.    ( 2 )

    Endüktansın birimi Henry'dir . İkinci bir devre varsa, B₁ alanının bir kısmı devre 2'den geçecek ve akım i₁ nedeniyle devre 2'de bir manyetik akı Φ₂₁ olacaktır. Karşılıklı endüktans M₂₁ şu şekilde verilir:

Φ₂₁ = M₂₁i₁.    ( 3 )

    Devre 2'deki bir akım nedeniyle devre 1'deki manyetik akı Φ₁₂ = M₁₂i₂ ile verilir.  Karşılıklı endüktansın önemli bir özelliği, M₂₁ = M₁₂ olmasıdır. Bu nedenle , iki devrenin karşılıklı endüktansı için M etiketinin alt simge olmadan kullanılması yeterlidir .

    İki devrenin karşılıklı endüktansının değeri +√L₁L₂ ila −√L₁L₂, devreler arasındaki akı bağlantısına bağlı olarak. İki devre birbirinden çok uzaktaysa veya bir devrenin alanı diğer devre üzerinden manyetik akı sağlamıyorsa, karşılıklı endüktans sıfırdır. İki devre giderek benzer uzaysal konfigürasyonlara sahip B alanları ürettiğinden, iki devrenin karşılıklı endüktansının maksimum olası değerine yaklaşılır

    ( 2 ) denkleminin her iki tarafındaki terimler için zamana göre değişim oranı alınırsa , sonuç dΦ₁₁/dt = L₁ di₁/dt olur. Faraday yasasına göre, dΦ₁₁/dt, indüklenen elektromotor kuvvetinin negatifidir . Sonuç, bir AC devresindeki tek bir indüktör için sıklıkla kullanılan denklemdir —yani,

emf = -L di/dt.    ( 4 )

    Kendi kendine indüksiyon fenomeni ilk olarak Amerikalı bilim adamı Joseph Henry tarafından tanındı.. Büyük bir bakır bobindeki akımı birçok dönüşle keserek büyük ve muhteşem elektrik arkları üretebildi. Bir bobinde sabit bir akım akarken , manyetik alandaki enerji şu şekilde verilir: 1/2Li². Hem L endüktansı hem de akım i büyükse, enerji miktarı da büyüktür. Akım, örneğin bir bıçaklı anahtarın açılmasıyla kesintiye uğrarsa, akım ve dolayısıyla bobinden geçen manyetik akı hızla düşer. Denklem ( 4 ), bobinde indüklenen sonuçtaki elektromotor kuvveti tanımlar ve anahtarın iki kutbu arasında büyük bir potansiyel farkı gelişir. Bobinin manyetik alanında depolanan enerji , anahtarın terminalleri arasındaki boşluk boyunca bir elektrik arkında ısı ve radyasyon olarak dağılır. Elektromıknatıslar için süper iletken tellerdeki gelişmeler nedeniyle, elektrik enerjisini manyetik alanda enerji olarak geçici olarak depolamak için birkaç teslas'ın manyetik alanlarına sahip büyük mıknatıslar kullanmak mümkündür. Bu, elektrik gücü tüketimindeki kısa vadeli dalgalanmaları karşılamak için yapılır.

    Atransformatör , maksimum karşılıklı indüksiyonlu devreleri kullanan bir cihaz örneğidir. Şekil 5 , tipik bir transformatörün konfigürasyonunu göstermektedir. Burada, yalıtımlı iletken tel bobinleri ince izole laminasyonlardan veya levhalardan yapılmış demir bir halkanın etrafına sarılır.. Laminasyonlar, ütüdeki girdap akımlarını en aza indirir. Girdap akımları, değişen manyetik alan tarafından metalde indüklenen dolaşım akımlarıdır. Bu akımlar istenmeyen bir yan ürün üretir - demirde ısı . Bir transformatördeki enerji kaybı, daha ince laminasyonlar, çok “yumuşak” ( düşük karbonlu ) demir ve daha büyük kesitli teller kullanılarak veya birincil ve ikincil devreleri çok düşük dirençli iletkenlerle sararak azaltılabilir . Ne yazık ki, ısı kaybını azaltmak transformatörlerin maliyetini artırmaktadır. Gücü iletmek ve dağıtmak için kullanılan transformatörler genellikle yüzde 98 ila 99 oranında verimlidir. Girdap akımları transformatörlerde bir sorun olsa da, nesneleri vakumda ısıtmak için kullanışlıdır . Girdap akımları, yüksek frekanslı bir alternatif akım taşıyan bir bobin ile nispeten iletken olmayan bir vakum muhafazasını çevreleyerek ısıtılacak nesnede indüklenir.

    Bir transformatörde, demir, bir devreden geçen B'nin hemen hemen tüm hatlarının ikinci devreden de geçmesini ve aslında, esasen tüm manyetik akının demirle sınırlı olmasını sağlar. İletken bobinlerin her dönüşü aynı manyetik akıya sahiptir; bu nedenle, her bobin için toplam akı, bobindeki dönüş sayısı ile orantılıdır. Sonuç olarak, bir bobine sinüzoidal olarak değişen bir elektromotor kuvvet kaynağı bağlanırsa, ikinci bobindeki elektromotor kuvvet şu şekilde verilir:

emf₂ = emf₁ N₂/N₁.    ( 5 )

    Bu nedenle, N₂'nin N₁'e oranına bağlı olarak ( burada N₁ ve N₂ , sırasıyla birinci ve ikinci bobinlerdeki dönüşlerin sayısıdır ), alternatif voltajlar transformatör için bir yükseltme veya düşürme cihazı olabilir. Güvenlik dahil birçok nedenden dolayı elektrik enerjisi üretimi ve tüketimi nispeten düşük voltajlarda gerçekleşir. Yükseltici transformatörler, belirli bir güç miktarı için iletim hatlarındaki akım çok daha küçük olduğundan, elektrik gücü iletilmeden önce yüksek voltaj elde etmek için kullanılır. Bu, iletkenlerin dirençli ısınmasıyla kaybedilen enerjiyi en aza indirir.

    Faraday yasası , güç endüstrisinin ve mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin temelini oluşturur . 1821'de, manyetik indüksiyonu keşfetmesinden on yıl önce, Faraday, pusula iğneleri etrafında dönen elektrik telleriyle deneyler yaptı . Akım taşıyan bir telin manyetize bir iğne etrafında döndürülmesi ve manyetik bir iğnenin elektrik akımı taşıyan bir telin etrafında döndürülmesiyle yapılan bu önceki çalışma, elektrik motorunun icadı oldu .

Değişen elektrik alanlarının etkileri

    Maxwell'in değişen bir elektrik alanının bir manyetik alan oluşturduğuna dair öngörüsü, saf teorinin bir ustalığıydı . Elektromanyetik alan için Maxwell denklemleri , elektrik ve manyetizma hakkında şimdiye kadar bilinen her şeyi birleştirdi ve dalgalar olarak 1/h hızıyla hareket edebilen bir elektromanyetik fenomenin varlığını öngördü. √ε_{0 μ0} bir boşlukta. Tamamen elektriksel ölçümlerden elde edilen sabitlere dayanan bu hız, ışık hızına karşılık gelir. Sonuç olarak, Maxwell ışığın kendisinin elektromanyetik bir fenomen olduğu sonucuna vardı. Daha sonra Einstein'ın özel görelilik kuramı , ışık hızının değerinin ışık kaynağının hareketinden bağımsız olduğunu öne sürdü . O zamandan beri, ışığın hızı artan bir doğrulukla ölçülmüştür. 1983'te saniyede tam olarak 299.792.458 metre olarak tanımlandı. İkinciyi tanımlamak için kullanılan sezyum saati ile birlikte , ışık hızı uzunluk için yeni standart olarak hizmet eder.

    Şekil 6'daki devre, değişen bir elektrik alanı tarafından oluşturulan bir manyetik alan örneğidir . Paralel plakalı bir kapasitör , Şekil 6A'daki uzun, düz uçlardan akan sabit bir akım tarafından sabit bir oranda şarj edilir.

    Amaç, Ampère'nin manyetik alanlar için devre yasasını Şekil 6A'da telin etrafından dolaşan P yoluna uygulamaktır. Bu yasa ( Fransız fizikçi André-Marie Ampère onuruna adlandırılmıştır ), bir akımın ürettiği manyetik alan için Biot ve Savart denkleminden türetilebilir . Ampère yasası, vektör hesabı gösterimini kullanarak, i akımını çevreleyen kapalı bir yol boyunca ∮B · dl integralinin _μ0i'ye eşit olduğunu belirtir . ( Bir integral aslında bir toplamdır ve bu durumda, ∮B · dl , B cos θdl'nin toplamıdır.tüm döngü dahil edilene kadar yolun küçük bir uzunluğu için alınır. Yolun her bir parçasında dl , θ B ve dl alanı arasındaki açıdır. ) Ampère yasasındaki i akımı , kapalı yol ile çevrili herhangi bir yüzey boyunca J akım yoğunluğudur. Şekil 6A'da, kapalı yol P olarak etiketlenmiştir ve bir yüzey S₁, P yolu ile çevrelenmiştir. S₁ boyunca olan tüm akım yoğunluğu , iletken telin içindedir. Akım yoğunluğunun toplam akısı telden geçen i akımıdır. S₁ yüzeyinin sonucu, P yolunun bölgesinde telin etrafındaki manyetik alanın değerini yansıtır. Şekil 6B'de, P yolu aynıdır, ancak S₂ yüzeyi kapasitörün iki plakası arasından geçer. Yüzeyden geçen akım yoğunluğunun toplam akısının değeri de i olmalıdır. Bununla birlikte, S₂ yüzeyi boyunca açıkça hiçbir yük hareketi yoktur. Buradaki ikilem, P yolu için ∮B · dl integralinin değerinin hem μ₀i hem de sıfır olamayacağıdır.

    Maxwell'in bu ikilemi çözmesi, yer değiştirme akımı J_d olarak adlandırılan ve S₂ yüzeyinden geçen toplam akının S₁ yüzeyinden geçen i akımı ile aynı olacağı başka bir tür akım yoğunluğu olması gerektiği sonucuna varmasıydı. J_d, S₂ yüzeyi için, yükün hareketi ile ilişkili akım yoğunluğunun J yerini alacaktır, çünkü J, kapasitörün plakaları arasındaki yüklerin olmaması nedeniyle açıkça sıfırdır. i akımı akarken plakalar arasında ne olur? Kondansatör üzerindeki yük miktarı zamanla arttığından, plakalar arasındaki elektrik alanı da zamanla artar. Akım durursa, plakalar yüklü olduğu sürece plakalar arasında bir elektrik alanı vardır, ancak telin etrafında manyetik alan yoktur. Maxwell, yeni tip akım yoğunluğunun elektrik alanının değişmesiyle ilişkili olduğuna karar verdi. Bunu buldu

J_d = dD/dt.    ( 6 )

    burada D = ε₀E ve E , plakalar arasındaki elektrik alanıdır. Maddenin mevcut olduğu durumlarda, denklem ( 6 )'daki D alanı, polarizasyon etkilerini içerecek şekilde değiştirilir ; sonuç D = ε₀E + P'dir. D alanı metrekare başına coulomb cinsinden ölçülür. Ampère yasasına yer değiştirme akımının eklenmesi, Maxwell'in değişen bir elektrik alanının aynı zamanda manyetik alan B'nin bir kaynağı olabileceği yönündeki tahminini temsil ediyordu. Maxwell'in elektromanyetik dalga tahminlerini takiben, Alman fizikçi Heinrich Hertz, 1887'de elektromanyetik dalgalar üretip algılayarak radyo iletişimi çağını başlattı.

    Vektör hesabı gösterimini kullanarak ,Maxwell'in elektromanyetizma teorisinin dört denklemi şunlardır:

I. div D = p,    ( 7 )

II. div B = 0,    ( 8 )

III. curl E = - dB/dt,    ( 9 )

IV. curl H = J + dD/dt,    ( 10 )

    burada D = _ε 0E + P ve H = B/μ₀ - M. İlk denklem, iki yük arasındaki kuvvet için Coulomb'un ters kare yasasına dayanmaktadır; Bu, kapalı bir yüzeyden geçen elektrik alanının akısını, yüzeyin çevrelediği toplam yük ile ilişkilendiren Gauss yasasının bir şeklidir. İkinci denklem, doğada görünüşte hiçbir manyetik monopol bulunmadığı gerçeğine dayanmaktadır; eğer yapsalardı, manyetik alanın nokta kaynakları olacaklardı. Üçüncüsü, değişen bir manyetik alanın bir elektrik alanı oluşturduğunu ortaya çıkaran Faraday'ın manyetik indüksiyon yasasının bir ifadesidir. Dördüncüsü, Maxwell tarafından yukarıda tartışılan yer değiştirme akımını içerecek şekilde genişletilen Ampère yasasıdır; bir manyetik alanı değişen bir elektrik alanıyla olduğu kadar bir elektrik akımıyla da ilişkilendirir.

    Maxwell'in dört denklemi, klasik elektromanyetizma teorisinin tam bir tanımını temsil eder. Işığın bir elektromanyetik dalga olduğunu keşfetmesi, optiğin elektromanyetizmanın bir parçası olarak anlaşılabileceği anlamına geliyordu. Sadece mikroskobik durumlarda, Maxwell denklemlerini kuantum etkilerini içerecek şekilde değiştirmek gerekir. Kuantum elektrodinamiği ( QED ) olarak bilinen bu modifikasyon, belirli atomik özellikleri 100 milyonda bir kısmı aşan bir hassasiyet derecesine kadar açıklar.

    Bazen aparatları harici elektromanyetik alanlardan korumak gerekir. Statik bir elektrik alanı için bu basit bir meseledir; aparat, iyi bir iletkenden ( örn. bakır ) yapılmış bir kalkanla çevrilidir. Sabit bir manyetik alandan koruma aparatı daha zordur çünkü sonsuz manyetik geçirgenliğe sahip malzemeler μ yoktur; örneğin, yumuşak demirden yapılmış içi boş bir kalkan içerideki manyetik alanı tamamen olmasa da önemli ölçüde azaltacaktır. Bazen çok düşük bir alan bölgesi oluşturmak için bir alanı ters yönde üst üste koymak ve ardından ekranlama için yüksek μ'ye sahip ek malzeme kullanmak mümkündür. Elektromanyetik dalgalar söz konusu olduğunda, dalgaların maddeye nüfuzu, radyasyonun frekansına ve ortamın elektrik iletkenliğine bağlı olarak değişir. Deri derinliği δ ( 1/e , yaklaşık 1/3'lük bir genlik düşüşü için katedilen iletken ortamdaki mesafedir ) şu şekilde verilir:

δ = √ 2/ωμ₀σJ.

    Yüksek frekansta, cilt derinliği küçüktür. Bu nedenle, elektronik mesajları deniz suyu yoluyla iletmek için, örneğin, yüzeyin çok altında sinyalin makul bir kısmını elde etmek için çok düşük bir frekans kullanılmalıdır.

    Metal bir kalkanın içinde bazı delikler olabilir ve yine de etkili olabilir. Örneğin, tipik bir Mikrodalga fırının frekansı 2,5 gigahertz'dir, bu da yaklaşık 12 santimetrelik bir dalga boyuna karşılık gelir. Kapıdaki metal kalkan, yaklaşık iki milimetre çapında küçük deliklere sahiptir; kalkan çalışır çünkü mikrodalga radyasyonunun dalga boyu deliklerin boyutundan çok daha büyüktür. Öte yandan, aynı kalkan çok daha kısa dalga boyundaki radyasyonla etkili değildir. Kapak kapatıldığında mikrodalga fırının içini görmenin mümkün olduğu gerçeğiyle kanıtlandığı gibi, kalkandaki deliklerden görünür ışık geçer.

Elektromanyetizmanın Tarihsel Gelişimi

    Elektrik ve manyetik kuvvetler antik çağlardan beri biliniyordu, ancak yüzyıllar boyunca ayrı fenomenler olarak kabul edildiler. Manyetizma, en azından 13. yüzyıl kadar erken bir tarihte deneysel olarak incelenmiştir; manyetik pusulanın özellikleri kuşkusuz bu fenomene ilgi uyandırdı. Elektriğin sistematik araştırmaları, elektrik yükü ve akımları üretmek için pratik cihazların icadına kadar ertelendi . Ucuz, kullanımı kolay elektrik kaynakları kullanılabilir hale gelir gelmez, bilim adamları zengin deneysel veriler ve teorik bilgiler ürettiler. Teknoloji ilerledikçe, sırasıyla manyetizma ve elektrostatik, elektrik akımları ve iletimi, elektrokimya, manyetik ve elektrik indüksiyonu, elektrik ve manyetizma arasındaki karşılıklı ilişki ve son olarak elektrik yükünün temel doğası üzerinde çalıştılar..

Erken gözlemler ve uygulamalar

    Eski Yunanlılar hem manyetitin hem de ovuşturulmuş kehribarın çekici gücünü biliyorlardı. M.Ö. 800 gibi erken bir tarihte Yunan metinlerinde bahsedilen manyetik bir demir oksit olan manyetit, Teselya'daki Magnesia eyaletinde çıkarıldı. Yakınlarda yaşayan Miletoslu Thales, manyetik kuvvetleri inceleyen ilk Yunanlı olabilir. Görünüşe göre manyetitin demiri çektiğini ve kehribarın ( Yunanlıların ēlektron adını verdiği bir fosil ağacı reçinesi ) ovuşturarak tüy gibi hafif nesneleri çekmesini sağlayacağını biliyordu. Buna göre MÖ 1. yüzyılda felsefi şiir De rerum natura'nın ( “Şeylerin Doğası Üzerine” ) Romalı yazarı Lucretius , mıknatıs terimi Magnesia eyaletinden türetilmiştir. Ancak Yaşlı Pliny, bunu mineralin sözde kaşifi olan çoban Magnes'e, "sürülerini otlatırken ayakkabılarının tırnakları ve değneğinin ucu manyetik bir alana sıkışan" kişiye atfetti.

    Manyetizmanın en eski pratik uygulaması manyetik pusulaydı, ancak kökeni bilinmiyor. Bazı tarihçiler, Çin'de MÖ 26. yüzyıla kadar kullanıldığına inanıyor; diğerleri, İtalyanlar veya Araplar tarafından icat edildiğini ve MS 13. yüzyılda Çinlilere tanıtıldığını iddia ediyor. Günümüze ulaşan en eski Avrupa referansı İngiltere'den Alexander Neckam'a (ö. 1217) aittir.