Էլեկտրամագնիսականություն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Էլեկտրամագնիսականություն, էլեկտրամագնիսական փոխազդեցություն, չորս հիմնարար փոխազդեցություններից մեկը[1]: Տերմինը ծագում է հունարեն ἢλεκτρον, «էլեկտրոն»՝ սաթ (էլեկտրաստատիկ երևույթը որպես սաթի հատկություն առաջին անգամ նկարագրել է Թալեսը) և μαγνήτης, «մագնետես»՝ մագնիս բառերից (անտիկ աշխարհում մագնիսական քարերով հայտնի էր փոքրասիական Մագնեսիա հունական քաղաքը)։

Առաջանում է էլեկտրական լիցք ունեցող տարրական մասնիկների, ինչպես նաև էլեկտրանակապես չեզոք, սակայն բաղադրյալ այն մասնիկների միջև, որոնց բաղադրիչ մասնիկներն ունենք էլեկտրական լիցք[2]: Ժամանակակից տեսակետի համաձայն, լիցքավորված մասնիկների միջև էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը իրականանում է ոչ թե անմիջականորեն, այլ միայն էլեկտրամագնիսական դաշտի միջոցով։

Էլեկտրամագնիսական դաշտն ի հայտ է գալիս էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի տեսքով, որոնք էլեկտրամագնիսականության երկու տարբեր դրսևորումներն են. Փոփոխական էլեկտրական դաշտը ստեղծում է մադնիսական դաշտ, և ընդհակառակը (Էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի Ֆարադեյի օրենք)։

Ըստ դաշտի քվանտային տեսության[3], էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը հաղորդվում է զանգված չունեցող բոզոնի՝ ֆոտոնի միջոցով (ֆոտոնը կարելի է պատկերացնել որպես էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտային գրգռում)։ Ֆոտոնն ինքը չունի էլեկտրական լիցք, ուստի չի կարող անմիջականորեն փոխազդել այլ ֆոտոնների հետ։ Հիմնարար մասնիկներից էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությանը մասնակցում են նաև էլեկտրական լիցք ունեցող մասնիկները՝ քվարկները, էլեկտրոնները, մյուոնները և տաու-լեպտոնը (ֆերմիոն է), ինչպես նաև լիցք ունեցող տրամաչափային W± բոզոնները։

Էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը տարբերվում է թույլ[4] և ուժեղ[5] փոխազդեցություններից իր հեռազդեցության բնույթով՝ երկու լիցքերի փոխազդեցության ուժը նվազում է հեռավորության երկրորդ աստիճանի օրենքով (տե՛ս Կուլոնի օրենքը)։ Նման օրենքով է նվազում նաև գրավիտացիոն փոխազդեցությունը: Լիցքավորված մասնիկների էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը էապես մեծ է գրավիտացիոնից, և միակ պատճառը, որ էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը մեծ ուժով չի դիտվում տիեզերական բնույթի մասշտաբներում, մատերիայի էլեկտրաչեզոքությունն է, այսինքն՝ Տիեզերքի յուրաքանչյուր տիրույթում դրական և բացասական լիցքերի հավասար քանակով առկայությունը։

Եթե էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության շնորհիվ առաջացած ուժերը ձգողական են, ապա երկու կամ ավելի թվով մասնիկներ կարող են կազմել կապված վիճակ։ Այդ հանգամանքն ընկած է մատերիայի հիմնական բաղադրիչ մասերի՝ ատոմների կամ մոլեկուլների գոյության հիմքում։ Յուրաքանչյուր նյութի քիմիական կառուցվածքը, ագրեգատային վիճակը և հատկությունները (ֆեռոմագնիսականություն, գերհաղորդականություն և այլն) պայմանավորված են էլեկտրոնների և միջուկների էլեկտրամագինիսական փոխազդեցությամբ։

Դասական (ոչ քվանտային) շրջանակներում էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը նկարագրվում է դասական էլեկտրադինամիկայով:

Էլեկտրամագնիսականության տեսական հետևանքները բերեցին հարաբերականության հատուկ տեսության ստեղծմաը։

Պատմությունը[խմբագրել]

Սկզբնապես էլեկտրականությունն ու մագնիսականությունը համարվում էին երկու տարբեր ուժեր։ Այդ տեսակետը փոխվեց 1873թ., երբ Ջեյմս Մաքսվելը հրատարակեց իր «Տրակտատ էլեկտրականության և մագնիսականության մասին» աշխատությունը, որտեղ ցույց է տրվում, որ դրական և բացասական լիցքերի փոխազդեցությունը կանոնակարգվում է մեկ ուժով։ Այդ փոխազդեցություններից բխող չորս հիմնական երևույթներ կան, որոնք հստակ ցուցադրվում են փորձով.

  1. Էլեկտրական լիցքերը փոխազդում են մի ուժով, որը հակադարձ համեմատական է նրանց միջև եղած հեռավորության քառակուսուն. նույնանույն լիցքերը վանում են միմյանց, տարանունները՝ ձգում։
  2. Մագնիսական բևեռները (կամ առանձին կետերում բևեռացման վիճակները) նույն կերպ են ձգում կամ վանում միմյանց, և միշտ գործում են զույգերով. որևէ հյուսիսային բևեռ գոյություն չունի առանց հարավայինի։
  3. Հաղորդալարում էլեկտրական հոսանքը հաղորդալարի շուրջ ստեղծում է շրջանային մագնիսական դաշտ, որի ուղղությունը կախված է հոսանքի ուղղությունից (ժամսլաքի ուղղությամբ կամ հակուղղված)։
  4. Հաղորդալարի օղակում հոսանք է մակածվում, երբ այն շարժվում է մագնիսական դաշտի նկատմամբ, կամ մագնիսը տեղաշարժվում է հաղորդալարի օղակին մոտ կամ հեռու. հոսանքի ուղղությունը կախված է այդ տեղաշարժերի ուղղությունից։

1820թ. ապրիլի 21-ին, պատրաստվելով դասախոսության, Հանս Քրիստիան Էրստեդը զարմանալի դիտարկում արեց։ Նյութերի ընտրություն անելիս նա նկատեց, որ կողմնացույցի սլաքը շեղվում է հյուսիսային մագնիսական բևեռից, երբ միանում կամ անջատվում է իր ձեռքի մարտկոցի էլեկտրական հոսանքը։ Նա մտածեց, որ մագնիսական դաշտը ելնում է հոսանք անցկացնող հաղորդալարի բոլոր կողմերից, ինչպես տարածության մեջ տարածվում են լույսը և ջերմությունը, և որ փորձը ուղիղ կապ է մատնանշում էլեկտրականության ու մագնիսականության միջև։

Բացահայտման պահին Էրստեդը չգտավ այդ երևույթի բավարար բացատրությունը և փորձ չարեց այն մաթեմատիկորեն նկարագրելու, սակայն երեք ամիս անց սկսեց նոր փորձեր անցկացնել։ Շատ շուտով նա հրապարակեց իր ուսումնասիրությունների արդյունքները, ապացուցելով, որ հաղորդիչով անցնող էլեկտրական հոսանքը ստեղծում է մագնիսական դաշտ։ ՍԳՎ համակարգում էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի չափման միավորը՝ նրա պատվին անվանվեց Է:

Էրստեդի եզրակացությունների շնորհիվ համաշխարհային գիտնական հանրությունը սկսեց էլեկտրադինամիկայի ինտենսիվ ուսումնասիրությունը։ 1820թ. Ֆրանսուա Արագոն նկատեց, որ հաղորդիչը, որով էլեկտրական հոսանք է անցնում, դեպի իրեն է ձգում երկաթի խարտուքը։ Առաջին անգամ նա մագնիսացրեց երկաթե և պողպատե հաղորդալարերը՝ դրանք դնելով հոսանք անցկացնող պղնձե հաղորդալարերի կոճի մեջ։ Արագոյից անկախ երկաթի և պողպատի մագնիսացումը հայտնաբերեց նաև Հեմֆրի Դեվին: Մագնիսի վրա հոսանքի ազդեցությունը նկարագրող առաջին քանակական սահմանումները նույնպես 1820թ. տվեցին ֆրանսիացի գիտնականներ Ժան-Բատիստ Բիոն և Ֆելիքս Սավարը: Էրստեդի փորձերը օգնեցին նաև Ամպերին, ով հաղորդչի և հոսանքի էլեկտրամագնիսական օրինաչափությունները ներկայացրեց մաթեմատիկական տեսքով։ Էրստեդի բացահայտումը կարևոր քայլ է նաև էներգիայի միասնական հասկացության ճանապարհին։

Այդ միասնությունը, որը նկատել էր Ֆարադեյը, լրացրել էր Մաքսվելը, ճշգրտել էին Օլիվեր Հեվիսայդը և Հենրիխ Հերցը, XIX դարի կարևորագույն նվաճումներից մեկն է մաթեմատիկական ֆիզիկայում։ Այս հայտնագործությունը ունեցավ շատ կարևոր հետևանքներ, որոնցից մեկը լույսի բնույթի ըմբռնումն էր։

Էլեկտրականության և մագնիսականության կապը բացահայտողը միայն Էրստեդը չէր։ 1802թ. իտալացի գիտնական-իրավագետ Ջովանի Ռոմանյոզին էլեկտրաստատիկ լիցքերով շետեղ մագնիսական սլաքը։ Սակայն նրա հետազոտություններում չէր կիրառվում գալվանական էլեմենտ և հաստատուն հոսանքը բացակայում էր։ Ռոմանյոզիի հաշվետվությունը հրապարակվեց 1802թ. իտալական թերթում, սակայն ժամանակի գիտնական հանրությունն անտեսեց այն[6]:

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Մյուս երեքը՝ թույլ փոխազդեցություն, ուժեղ փոխազդեցություն, ձգողականություն
  2. Օրինակ, նեյտրոնը չեզքո մասնիկ է, սակայն նրա կազմության մեջ մտնում են լիցքավորված քվարկներ, ինչի հետևանքով նեյտրոնը մասնակցնում է էլեկտրամագիսական փոխազդեցությանը (մասնավորապես, ունի ոչ զրոյական մագնիսական մոմենտ):
  3. Դաշտի քվանտային տեսության այն բաժինը, որը նկարագրում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը, կոչվում քվանտային էլեկտրադինամիկա: Այն դաշտի քվանտային տեսության և ընդհանրապես տեսական ֆիզիկայի առավել մշակված, ինչպես նաև առավել հաջողակ ու ճշգրիտ (փորձով ապացուցված) բաժինններից է:
  4. Թույլ փոխազդեցությունն արագ նվազում է այն հաղորդողի՝ վեկտորական W կամ Z բոզոնի մեծ զանգվածի պատճառով
  5. Հեռավորության աճին զուգընթաց ուժեղ փոխազդեցությունը քվարկների միջև ավելի դանդաղ է նվազում, ավելի ճիշտ, ըստ ամենայնի դատելով, այն հեռավորությունից կախված չի նվազում, սակայն ազատ վիճակում դիտարկվող բոլոր հայտնի մասնիկները չեզոք են «ուժեղ լիցքի»՝ գույնի հանդեպ, քանի որ կամ ընդհանրապես քվարկներ չեն պարունակում, կամ ներառում են մի քանի քվարկներ, որոնց գույների գումարը զրո է, այդ պատճառով հիմնականում ուժեղ փոխազդեցությունը՝ գլյուոնային դաշտը, կենտրոնացված է «գունավոր» քվարկների միջև՝ բաղադրյալ մասնիկի ներսում, իսկ դրանից դուրս տարածվող «մնացորդային մասը» շատ փոքր է և արագ նվազում է
  6. (անգլերեն) "Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity", Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times։ Università degli Studi di Pavia, 81–102։