אלקטרומגנטיות

אֵלֶקְטְרוֹמַגְנֵטִיּוּת היא ענף בפיזיקה שעוסק בתופעות שמקושרות למטען חשמלי. שדות חשמליים (אזורים שבהם פועלת сила על מטענים) ומגנטיים (אזורים שבהם פועלת כוח על זרמים) הם שני היבטים של אותו דבר. האור ושלל סוגי הקרינה הם צורות של קרינה אלקטרומגנטית בעלת תדרים שונים.

הכוח האלקטרומגנטי הוא אחד מארבעת הכוחות היסודיים. הוא שולט בתגובות כימיות ובמבנה הקליפות האלקטרוניות של האטומים. בפיזיקת החלקיקים הכוח נישא על ידי הפוטון, שהוא חלקיק האור.

כוח חשמלי גורם לכך שמטענים בעלי סימן זהה דוחים, ומטענים הפוכים מושכים. עוצמת הכוח תלויה במכפלת המטענים ובהיפוך מרובע המרחק ביניהם, זו תמצית חוק קולון. הכוח החשמלי חזק בהרבה מכוח המשיכה הגרוויטציוני, ולכן הוא שולט ברוב התופעות היומיומיות. הכוח הגרעיני החזק חזק יותר מהכוח החשמלי, אבל הוא פועל בטווחים קצרים מאוד.

הכוח המגנטי פועל בעיקר על מטענים בתנועה או על זרמים חשמליים. ניסוחו המפורט מופיע במשוואת לורנץ, אך ברמת הרעיון זה כוח שמתחיל כשמטענים נעים. לא נמצא מטען מגנטי בודד (מונופול). מגנט עובד כמו דיפול, זוג קוטביות הפוכות ולעתים אף דומה ללולאת זרם שגורמת לשדה מגנטי.

משוואות מקסוול הן ארבע משוואות שמנסחות מתמטית את התנהגות השדות החשמליים והמגנטיים. מאמצע המאה ה-19 מקסוול איחד חוקים נפרדים והראה שאור הוא גל אלקטרומגנטי. המשוואות איפשרו לתאר זרימת אנרגיה ולהבין תופעות אופטייות, וגם סללו את הדרך לטכנולוגיות רבות.

חלקיקים מתאפיינים במטען חשמלי שהוא חיובי, שלילי או נייטרלי. המטען מגיע ביחידות בדידות. לקוורקים יש מטענים שאינם שלמים, אך הם תמיד מתחברים יחד בתוך פרוטונים ונייטרונים. התיאוריה הקוונטית של הכוח האלקטרומגנטי נקראת אלקטרודינמיקה קוונטית (QED). בתיאוריה זו הפוטון הוא בוזון כיול, החלקיק שנושא את הכוח.

התיאוריה הקלאסית של חשמל ומגנטיות התפתחה במאה ה-19. מקסוול איחד את התופעות והראה שהאור הוא אלקטרומגנטי. בעיה תיאורטית על קיום התווך שנקרא אתר נפתרה על ידי אלברט איינשטיין, שפיתח את תורת היחסות הפרטית. לאחר מכן נוסחה התורה בשפה טנזורית של מרחב-זמן בארבעה ממדים.

לטיפול בגלים אלקטרומגנטיים משתמשים בגישות שונות לפי אורך הגל. באופטיקה גאומטרית מתארים את האור כקרניים כשהאורך קטן יחסית לממדי המערכת. בתנאים אחרים נצפים התאבכות ועקיפה, כלומר התנהגות גלית. מנקודת מבט מודרנית יש גם תיאור קוונטי שבו האנרגיה של אור מקוונת ביחידות של hf, כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-f היא התדירות. התיאור התקף ביותר כיום הוא תורת השדות הקוונטית, שאינה מתנגשת עם תיאור הגלים הקלאסי בגבולות המתאימים.

אֵלֶקְטְרוֹמַגְנֵטִיּוּת היא חקר החשמל והמגנטים. אלה קשרים שמסבירים גם את האור.

מטענים זהים דוחים. מטענים הפוכים מושכים. מטען חשמלי הוא משהו שגורם למשיכה או דחייה. ככל שהמרחק גדול יותר, הכוח נחלש מהר יותר.

כוח מגנטי פועל כשמטענים נעים. זרם חשמלי יכול ליצור מגנט. לא מצאו אי פעם מטען מגנטי בודד. מפנים של מגנט הם שני קוטביים.

מקסוול גילה ארבע משוואות שחוברו יחד. המשוואות הראו שאור הוא גל של שדות חשמליים ומגנטיים.

חלקיקים יכולים להיות בעלי מטען חיובי, שלילי או לא מטען. יש חלקיקים קטנים בשם קוורקים. הקוורקים לא יוצאים לבד; הם נשארים יחד בתוך חלקיקים גדולים.

במאות האחרונות מדענים גילו איך חשמל ומגנטיות קשורים. איינשטיין פתר בעיה חשובה שקשורה למהירות האור.

אם הגלים קצרים מאוד משתמשים באופטיקה גאומטרית. אם הגלים גדולים רואים התאבכות. באור יש גם תכונה כמו חבילות אנרגיה שנקראות פוטונים, כלומר חלקיקי אור.