С какой скоростью распространяется электромагнитное взаимодействие в вакууме
Согласно теории Максвелла любое изменение электрического поля в некоторой области пространства (например, при перемещении заряда) порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и гасит поле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства.
 |
 |
|
 |
 |
Рис. 1. Передача электромагнитных взаимодействий возможна благодаря тому, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое, и этот процесс продолжается практически бесконечно
Перемещение заряда, таким образом, вызывает «всплеск» электромагнитного поля, который охватывает все большие области окружающего пространства, перестраивая «по дороге» то поле, которое существовало до смещения заряда.
Процесс распространения электромагнитного взаимодействия распространяется с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Чисто математически Максвелл показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в вакууме — 300 000 км/с.
Скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью света
Взаимодействие в физике
Взаимоде́йствие в физике, воздействие тел, полей или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой . Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия . Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия; при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения , действующей на Луну. В этом состояла т. н. концепция дальнодействия.
Однако данные представления были признаны не соответствующими действительности после открытия и исследования электромагнитного поля . Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а спустя конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, распространяющийся с конечной скоростью. Соответственно имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создаёт электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме ≈3·10 8 м/с. Возникла новая концепция – близкодействия, которая позднее была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределённых в пространстве. Так, всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем .
После появления квантовой теории поля (КТП) представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно КТП, любое поле представляет собой совокупность частиц – квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны , т. е. фотоны являются переносчиками этого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействий возникают в результате обмена квантами соответствующих полей между частицами.
Несмотря на разнообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействий слагающих их элементарных частиц ), в природе, по современным данным, имеется лишь 4 типа фундаментальных взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности взаимодействий): гравитационное взаимодействие , слабое взаимодействие (отвечающее за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц), электромагнитное взаимодействие , сильное взаимодействие (обеспечивающее, в частности, связь частиц в атомных ядрах и поэтому часто называемое ядерным). Интенсивность взаимодействия определяется соответствующей константой взаимодействия (константой связи). Так, для электромагнитного взаимодействия константой связи является электрический заряд . Квантовая теория электромагнитного взаимодействия – квантовая электродинамика – превосходно описывает все известные электромагнитные явления. Слабое взаимодействие осуществляется посредством промежуточных векторных бозонов . Найдена глубокая связь слабого взаимодействия с электромагнитным, что привело к их объединению в электрослабое взаимодействие . В основе сильного взаимодействия, по современным представлениям, лежит взаимодействие между составными частями адронов – кварками . Это взаимодействие, переносчиками которого служат глюоны , определяется особой константой взаимодействия – цветом и описывается квантовой хромодинамикой . Взаимодействие адронов друг с другом представляет собой лишь остаточный эффект межкварковых сил, подобно тому как межатомные силы – остаточный эффект электромагнитного взаимодействия электронов и атомных ядер. Делаются попытки объединения слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия (модели т. н. Великого объединения ), а также всех видов взаимодействий, включая гравитационное (см. в статье Cупергравитация ).
Опубликовано 24 августа 2023 г. в 18:19 (GMT+3). Последнее обновление 24 августа 2023 г. в 18:19 (GMT+3). Связаться с редакцией
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.
Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.
Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.
Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.
Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.
От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.
Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными
Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г и зарядом q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
| № | Параметр сравнения | Электромагнитное взаимодействие | Гравитационное взаимодействие |
| 1 | Источник | Электрический заряд | Тензор энергии-импульса |
| 2 | Продолжительность | 10 — 21 c | 10 16 с |
| 3 | Тип проявления | Существование молекул, атомов и химических сил | Универсальное с участием всех частиц |
| 4 | Радиус распространения | Бесконечный | Бесконечный |
| 5 | Переносчик | Фотон | Гравитон |
| 6 | Какие частицы взаимодействуют | Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой | Все без исключения |
| 7 | Статическая сила взаимодействия между протонами | F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 , где ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м является электрической постоянной, ε — диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами. | F g = G m p 2 r 2 где показатель G равен 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а r означает расстояние между частицами. |
Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия
Определение 2
Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:
a = e 2 4 π ε 0 h c .
Здесь заряд электрона будет равен e = — 1 , 6 · 10 — 19 К л , а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · c , c = 3 · 10 8 м с . Вычислим значение постоянной:
α = ( 1 , 6 · 10 — 19 ) 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 , 05 · 10 — 34 3 · 10 8 ≈ 2 , 56 · 10 — 38 348 , 15 · 10 — 38 ≈ 1 137 .
Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.
Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.
Решение
Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу F g = G m p 2 r 2 . Здесь расстояние между частицами будет равно G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г .
Вычислим значение с учетом этих данных:
F g = 6 , 67 · 10 — 11 1 , 67 · 10 — 27 2 1 2 = 18 , 6 · 10 — 45 ( Н ) .
Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:
F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 .
Здесь электрическая постоянная будет равна ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м . Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:
F e = 1 , 6 · 10 — 19 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 2 = 2 , 56 · 10 — 38 110 , 53 · 10 — 12 = 2 , 31 · 10 — 28 ( Н ) .
Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18 , 6 · 10 — 45 Н . Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2 , 31 · 10 — 28 Н .
Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.
Решение
Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.
F g = G m 2 r 2 , буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r расстояние, на котором расположены частицы.
F e = q 2 4 π ε ε 0 r 2 , буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε 0 – электрическая постоянная, а r расстояние между частицами.
Согласно первоначальным условиям, F g = F e , значит, G m 2 r 2 = q 2 4 π ε ε 0 r 2 и 4 π ε ε 0 G m 2 = q 2 → q m = 4 π ε ε 0 G .
Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε = 1 . Зная, что значение гравитационной постоянной G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а электрической – ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м , можем вычислить ответ:
q m = 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 6 , 67 · 10 — 11 ≈ 8 , 9 · 10 — 11 .
Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8 , 9 · 10 — 11 К л к г .
Электромагнитная взаимодействие в вакууме распространяется со скоростью (c=3*10^8 м/с) а) v>c b) v=c c) v
Мило, а что такое v в данном случае? Если распространение этого же взаимодействия в другой среде, то всегда v меньше c.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.