Klasik elektromanyetizm,klasik elektromıknatıslık ya daklasik elektrodinamikteorik fiziğinelektrik akımı veelektriksel yükler arasındaki kuvvetlerin sonuçlarını inceleyen dalıdır.kuantum mekaniksel etkilerin ihmal edilebilir derecede küçük olmasını sağlayacak kadar büyük ölçütlü sistemler için elektromanyetik fenomenlerin mükemmel bir açıklamasını sunar (bkz.Kuantum elektrodinamiği).
Elektromanyetik teori 19. yy. boyunca özellikleJames Clerk Maxwell'in çalışmalarıyla geliştirilmiştir. Detaylı tarihsel bilgi için Pauli,[1] Whittaker[2] ve Pais[3] in kitaplarına danışabilirsiniz (ayrıca bkz.Optik tarihi,Elektromıknatıslığın tarihi,Maxwell denklemleri).
Ribarič and Šušteršič[4] klasik elektrodinamiğin güncel kavranışı için birçok soruyu ele almıştır. Kitapta tarihleri 1903'ten 1989'a kadar yaklaşık 240 referans bulunmaktadır. Klasik elektrodinamik için hala geçerli olan problem, Jackson'a göre,[5] bizim basit denklemlerle ilgili çözümleri iki limit durumunda elde edebiliyor oluşumuz: “[B]irincisi yükleri ve akımları bildiğimiz ve elektromanyetik alanı hesapladığımız durum, ikincisi dış elektromanyetik alanı belirlediğimiz ve yüklü parçacıkların hareketini hesapladığımız durum. . . . Şans eseri, . . . bu iki problem birleştirildi. Fakat uygulama hala iki adımlı; önce dış alan etkisinde yüklü parçacığın hareketiradyasyon salınımı ihmal edilerek hesaplanır, sonra parçacığın hareketinden, salınan radyasyon hesaplanır. Görülüyor ki problemi bu şekilde ele almak yalnızca yaklaşık bir geçerlilik sağlar.” Sonuç olarak, elektrik akımı ve yüklerle bunların oluşturduğu elektromanyetik alanın bir arada, birbirlerini etkileyerek oluşturduğu sonuçları ihmal edemeyeceğimiz sistemlerin fiziksel çözümlenişine teorik olarak ulaşabilmiş değiliz. Bir aşırı aşkın bir çabaya rağmen hala yüklü parçacıkların hareket denklemi için genel kabul gören bir form yoktur.
Elektromanyetik alan yüklü parçacıklar üzerindeLorentz kuvveti denen, aşağıdaki denklemle ifade edilen bir kuvvet uygular.
q yük,F yükün hissedeceği kuvvet,E yükün bulunduğu noktadakielektrik alan,v yükün hızı,B yükün bulunduğu noktadakimanyetik alan.
Yukarıdaki denklem Lorentz kuvvetini ikivektörün toplamı olarak gösterir. Bu vektörlerden biri yükün hızı ve manyetik alanınvektörel çarpımıdır. Vektör çarpımının özelliklerine dayanarak bu çarpımın sonucunun hıza ve manyetik alana dik olduğunu söyleyebiliriz. Diğer vektör ise elektriksel alanla aynı doğrultudadır. Bu iki vektörün toplamı Lorentz kuvvetini verir.
Böylece, manyetik alanın olmadığı bir yerde kuvvet elektriksel alanla aynı doğrultudadır ve kuvvetin büyüklüğü yükün değerine ve elektriksel alanın şiddetine bağlıdır. Elektrik alanın olmadığı durumlarda ise kuvvet parçacığın hızına ve manyetik alanın doğrultusuna diktir.
Durağan bir yük için elektrik alanE
olarak tanımlanır. Buradaq0test yükü olarak adlandırılır. Varlığı dolayısıyla elektrik alanı etkilemeyecek kadar küçük olması yeterlidir, bunun dışında sayısal değerinin önemi yoktur.E'nin birimi N/C yaniNewton/Coulomb'dur (ya da, V/m yaniVolt/metre).
Yukarıdaki tanım döngüsel görünebilir fakat elektrostatikte, yükler hareket etmediğinde,Coulomb yasası deneylerle birebir örtüşür. Sonuç şudur:
n yük sayısı,qi i numaralı parçacığın yük miktarı,ri i numaralı parçacığın pozisyonu,r elektrik alanı hesapladığımız noktanınpozisyon vektörü,ε0elektrik sabiti.
Yukarıdaki denklem Coulomb yasasınınq'ya (test yükü) bölünüpsüperpozisyon prensibi uygulanmış halidir.
Eğer alan sürekli bir yük dağılımı tarafından üretiliyorsa tomlam sembolü integrale dönüşür:
ρ(r) pozisyona bağlıyük yoğunluğu,
diferansiyel hacim elementi dV'denE'nin hesaplanacağı noktayı gösteren birim vektör,r noktasal yük ileE'nin hesaplanacağı nokta arasındaki uzaklık.
Elektrik alanın pozisyonel bağlı hesaplanması için yukarıdaki iki denklemin uygulanışı da hayli zordur. Bu hesabı kolaylaştırmak içinelektriksel potansiyel fonksiyonunu kullanabiliriz. Elektrik potansiyeli (voltaj)doğrusal integral ile aşağıdaki şekilde tanımlanır.
φE elektrik potansiyeli,C integralin alınacağı yol.
Maxwell denklemlerinden,∇ ×E değerinin her zaman sıfır olmadığı için skaler potansiyelin elektrik alanı tanımlamak için tek başına yeterli olmadığı görülebilir. Düzeltme faktörü olarak genellikle bir vektör potansiyelinin (aşağıda açıklanacaktır) zamana göre türevi denkleme eklenir. Yükler elektrostatikte durağan olduğu için söz konusu faktöre ihtiyaç yoktur.
Yükün ve elektriksel alanın tanımından elektriksel potansiyelin pozisyona bağlı ifadesini aşağıdaki şekilde yazabiliriz.
q noktasal yükün miktarı,r pozisyon,rq noktasal yükün pozisyonu.
Aynı şekilde, genel yük dağılımından kaynaklanan potansiyel:
ρ(r) pozisyona bağlı yük yoğunluğu,r hacim elementi dV'ye olan uzaklık.
Unutulmamalıdır kiφ skaler bir nicelik olduğu için diğer potansiyellerle skaler olarak toplanır. Bu, kompleks problemleri basit parçalara bölüp potansiyelleri eklemenin kolaylıklarından biridir. Potansiyelin tanımını tersine çevirirsek elektrik alanın potansiyelin negatif gradyanı (bkz.del operatörü) olduğu görürüz.
Bu formülle deE'nin V/m olarak ifade edileceği görülebilir.
Elektromanyetik dalgadaki değişimler değişimin merkezindendalga formunda yayılır. Bu dalgalar boşluktaışık hızıyla yayılır ve doğal olarak geniş birdalgaboyuspektrumuna sahiptir. Dinamikelektromanyetik radyasyon alanı örnekleri arasında (artanfrekans sırasıyla)radyo dalgaları,mikrodalgalar,ışık (kızılötesi,görünür ışık vemorötesi),x-ışınları vegama ışınları sayılabilir.Parçacık fiziğinde bu elektromanyetik radyasyon yüklü parçacıklar arasındakielektromanyetik etkileşimin tezahürüdür.
Coulomb denklemi basit ve tatmin edici görünse deözel görelilik gerektirdiği üzere yük dağılımındaki değişikliklerin alanın herhangi bir yerinde etki yaratmasının aldığı zaman sıfır olmadığı için bu denklem klasik elektrodinamiğin bağlamında tamamen doğru sayılmaz. Elektrik alanındaki değişimler ışık hızıyla yayılır. Denklemlerin bu koşulu sağlaması için düzeltilip genelleştirilmesi gerekir. Geciktirilmiş potansiyellerin hesaplanması Jefimenko denklemleri olarak bilinen ifadelerin elde edilmesini sağlar. Bu potansiyeller aynı zamanda noktasal yüklerden hareketle de elde edilebilir (Liénard-Wiechert potansiyelleri). Skaler potansiyel ve vektör potansiyeli denklemleri aşağıdaki gibidir:
q noktasal parçacığın yükü,r pozisyon,rq vevq, sırasıyla, yükün zamana bağlı olarak verilmiş pozisyonu ve hızı,.
Bu denklemler uygun biçimde türevlenip hareket halindeki yüklü bir parçacığın bütün alan denklemlerini elde edilebilir.
- ^Pauli, W., 1958,Theory of Relativity, Pergamon, London
- ^Whittaker, E.T., 1960,History of the Theories of the Aether and Electricity, Harper Torchbooks, New York.
- ^Pais, A., 1983,»Subtle is the Lord...«; the Science and Life of Albert Einstein, Oxford University Press, Oxford
- ^Ribarič, M., and L. Šušteršič, 1990,Conservation Laws and Open Questions of Classical Electrodynamics, World Scientific, Singapore
- ^Jackson, John D., 1998, “Classical Electrodynamics” (3rd ed.), Wiley, New York, isbn=0-471-30932-X
