Elektromagnetisches Feld

Ein elektromagnetisches Feld (auch EMF oder EM Feld) ist ein physisches erzeugtes Feld durch das Bewegen von elektrisch beladenen Gegenständen. Es betrifft das Verhalten von beladenen Gegenständen in der Nähe vom Feld. Das elektromagnetische Feld streckt sich unbestimmt überall im Raum aus und beschreibt die elektromagnetische Wechselwirkung. Es ist eine der vier grundsätzlichen Kräfte der Natur (andere sind Schwerkraft, die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung).

Das Feld kann als die Kombination eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes angesehen werden. Das elektrische Feld wird durch stationäre Anklagen und das magnetische Feld durch das Bewegen von Anklagen (Ströme) erzeugt; diese zwei werden häufig als die Quellen des Feldes beschrieben. Der Weg, auf den Anklagen und Ströme mit dem elektromagnetischen Feld aufeinander wirken, wird durch die Gleichungen von Maxwell beschrieben, und Lorentz zwingen Gesetz.

Von einer klassischen Perspektive kann das elektromagnetische Feld als ein glattes, dauerndes Feld betrachtet werden, das auf eine wellemäßige Weise fortgepflanzt ist; wohingegen von der Perspektive der Quant-Feldtheorie das Feld, wie gequantelt, gesehen wird, aus individuellen Partikeln zusammengesetzt.

Struktur des elektromagnetischen Feldes

Das elektromagnetische Feld kann auf zwei verschiedene Weisen angesehen werden: eine dauernde Struktur oder eine getrennte Struktur.

Dauernde Struktur

Klassisch wird von elektrischen und magnetischen Feldern als gedacht, durch glatte Bewegungen von beladenen Gegenständen erzeugt werden. Zum Beispiel erzeugen schwingende Anklagen elektrische und magnetische Felder, die auf eine 'glatte', dauernde, wellemäßige Mode angesehen werden können. In diesem Fall wird Energie als angesehen, unaufhörlich durch das elektromagnetische Feld zwischen irgendwelchen zwei Positionen übertragen werden. Zum Beispiel scheinen die Metallatome in einem Radiosender, Energie unaufhörlich zu übertragen. Diese Ansicht ist bis zu einem gewissen Grad nützlich (Radiation der niedrigen Frequenz), aber Probleme werden an hohen Frequenzen gefunden (sieh ultraviolette Katastrophe).

Getrennte Struktur

Vom elektromagnetischen Feld kann auf eine 'rauere' Weise gedacht werden. Experimente offenbaren, dass in einigen Verhältnissen elektromagnetische Energieübertragung als besser beschrieben wird, in der Form von Paketen genannt Quanten (in diesem Fall, Fotonen) mit einer festen Frequenz getragen werden. Die Beziehung von Planck verbindet die Energie eines Fotons zu seiner Frequenz durch die Gleichung:

:

wo die Konstante von Planck ist, die zu Ehren von Max Planck genannt ist, und die Frequenz des Fotons ist. Obwohl moderne Quant-Optik uns sagt, dass es auch eine halbklassische Erklärung der fotoelektrischen Wirkung — der Emission von Elektronen von metallischen Oberflächen gibt, die der elektromagnetischen Radiation unterworfen sind —, war das Foton historisch (obwohl nicht ausschließlich notwendigerweise) hat gepflegt, bestimmte Beobachtungen zu erklären. Es wird gefunden, dass die Erhöhung der Intensität der Ereignis-Radiation (so lange man im geradlinigen Regime bleibt) nur die Zahl von Elektronen vertrieben steigert, und fast keine Wirkung auf den Energievertrieb ihrer Ausweisung hat. Nur die Frequenz der Radiation ist für die Energie der vertriebenen Elektronen wichtig.

Dieses Quant-Bild des elektromagnetischen Feldes (der es als analog harmonischen Oszillatoren behandelt) hat sich sehr erfolgreich erwiesen, Quant-Elektrodynamik, eine Quant-Feldtheorie verursachend, die die Wechselwirkung der elektromagnetischen Radiation mit der beladenen Sache beschreibt. Es verursacht auch Quant-Optik, die von der Quant-Elektrodynamik darin verschieden ist, wird die Sache selbst mit der Quant-Mechanik aber nicht Quant-Feldtheorie modelliert.

Dynamik des elektromagnetischen Feldes

In der Vergangenheit, wie man dachte, haben elektrisch beladene Gegenstände zwei verschiedene, Typen ohne Beziehung des mit ihrem Anklage-Eigentum vereinigten Feldes erzeugt. Ein elektrisches Feld wird erzeugt, wenn die Anklage in Bezug auf einen Beobachter stationär ist, der die Eigenschaften der Anklage misst, und ein magnetisches Feld (sowie ein elektrisches Feld) erzeugt wird, wenn sich die Anklage (das Schaffen eines elektrischen Stroms) in Bezug auf diesen Beobachter bewegt. Mit der Zeit wurde es begriffen, dass von den elektrischen und magnetischen Feldern als zwei Teile eines größeren Ganzen — das elektromagnetische Feld besser gedacht wird.

Sobald dieses elektromagnetische Feld von einem gegebenen Anklage-Vertrieb erzeugt worden ist, werden andere beladene Gegenstände in diesem Feld eine Kraft erfahren (auf eine ähnliche Weise, wie Planeten eine Kraft im Schwerefeld der Sonne erfahren). Wenn diese anderen Anklagen und Ströme in der Größe mit den Quellen vergleichbar sind, die das obengenannte elektromagnetische Feld erzeugen, dann wird ein neues elektromagnetisches Nettofeld erzeugt. So kann das elektromagnetische Feld als eine dynamische Entität angesehen werden, die andere Anklagen und Ströme veranlasst sich zu bewegen, und die auch von ihnen betroffen wird. Diese Wechselwirkungen werden durch die Gleichungen von Maxwell beschrieben, und Lorentz zwingen Gesetz. (Diese Diskussion ignoriert die Strahlenreaktionskraft.)

Elektromagnetisches Feld als eine Feed-Back-Schleife

Das Verhalten des elektromagnetischen Feldes kann in vier verschiedene Teile einer Schleife aufgelöst werden:

  • die elektrischen und magnetischen Felder werden durch elektrische Anklagen, erzeugt
  • die elektrischen und magnetischen Felder wirken mit einander, aufeinander
  • die elektrischen und magnetischen Felder erzeugen Kräfte auf elektrischen Anklagen,
  • die elektrischen Anklagen bewegen sich im Raum.

Ein weitverbreiteter Irrtum ist, dass (a) die Quanten der Felder handeln auf dieselbe Weise als (b) die beladenen Partikeln, die die Felder erzeugen. In unserer täglichen Welt bewegen sich beladene Partikeln, wie Elektronen, langsam durch die Sache, normalerweise auf der Ordnung von einigen Zoll (oder Zentimeter) pro Sekunde, aber Felder pflanzen sich mit der Geschwindigkeit des Lichtes - etwa dreihunderttausend Kilometer (oder hundertsechsundachtzigtausend Meilen) eine Sekunde fort. Der weltliche Geschwindigkeitsunterschied zwischen beladenen Partikeln und Feldquanten ist auf der Ordnung von einer zu einer Million mehr oder weniger. Die Gleichungen von Maxwell verbinden (a) die Anwesenheit und Bewegung von angeklagten Partikeln mit (b) die Generation von Feldern. Jene Felder können dann die Kraft darauf betreffen, und können sich dann bewegen, das andere langsam Bewegen hat Partikeln beladen. Beladene Partikeln können sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, die sich Feldfortpflanzungsgeschwindigkeiten nähern, aber, weil sich Einstein gezeigt hat, verlangt das enorme Feldenergien, die in unseren täglichen Erfahrungen mit der Elektrizität, dem Magnetismus, der Sache, und Zeit nicht da sind.

Die Feed-Back-Schleife kann in einer Liste einschließlich Phänomene zusammengefasst werden, die jedem Teil der Schleife gehören:

  • beladene Partikeln erzeugen elektrische und magnetische Felder
  • die Felder wirken mit einander aufeinander
  • das Ändern des elektrischen Feldes handeln wie ein Strom, das Erzeugen 'des Wirbelwinds' des magnetischen Feldes
  • Induktion von Faraday: Das Ändern magnetischen Feldes veranlasst (negativen) Wirbelwind des elektrischen Feldes
  • Das Gesetz von Lenz: negative Feed-Back-Schleife zwischen elektrischen und magnetischen Feldern
  • Felder handeln nach Partikeln
  • Kraft von Lorentz: Zwingen Sie wegen des elektromagnetischen Feldes
  • elektrische Kraft: dieselbe Richtung wie elektrisches Feld
  • magnetische Kraft: Senkrechte sowohl zum magnetischen Feld als auch zur Geschwindigkeit der Anklage
  • Partikeln bewegen
  • Strom ist Bewegung von Partikeln
  • Partikeln erzeugen mehr elektrische und magnetische Felder; Zyklus wiederholt

Mathematische Beschreibung

Es gibt verschiedene mathematische Weisen, das elektromagnetische Feld zu vertreten. Der erste sieht die elektrischen und magnetischen Felder als dreidimensionale Vektorfelder an. Diese Vektorfelder ließ jeder einen Wert an jedem Punkt der Zeit und Raums definieren und wird so häufig als Funktionen der Koordinaten der Zeit und Raums betrachtet. Als solcher werden sie häufig als (elektrisches Feld) und (magnetisches Feld) geschrieben.

Wenn nur das elektrische Feld Nichtnull ist, und rechtzeitig unveränderlich ist, wie man sagt, ist das Feld ein elektrostatisches Feld. Ähnlich, wenn nur das magnetische Feld Nichtnull ist und rechtzeitig unveränderlich ist, wie man sagt, ist das Feld ein magnetostatic Feld. Jedoch, wenn entweder das elektrische oder magnetische Feld eine Zeitabhängigkeit hat, dann müssen beide Felder zusammen als ein verbundenes elektromagnetisches Feld mit den Gleichungen von Maxwell betrachtet werden.

Mit dem Advent der speziellen Relativität sind physische Gesetze empfindlich gegen den Formalismus des Tensor geworden. Die Gleichungen von Maxwell können in der Tensor-Form geschrieben werden, die allgemein von Physikern als ein eleganteres Mittel angesehen ist, physische Gesetze auszudrücken.

Das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern, ob in Fällen der Elektrostatik magnetostatics oder Elektrodynamik (elektromagnetische Felder), in einem Vakuum durch die Gleichungen von Maxwell geregelt wird. Im Vektorfeld-Formalismus sind diese:

: (Das Gesetz von Gauss)

: (Das Gesetz von Gauss für den Magnetismus)

: (Das Gesetz von Faraday)

:

wo die Anklage-Dichte ist, die kann (und häufig tut), hängen rechtzeitig und Position ab, ist der permittivity des freien Raums, ist die Durchdringbarkeit des freien Raums, und ist der aktuelle Dichte-Vektor, auch eine Funktion der Zeit und Position. Die Einheiten, die oben verwendet sind, sind die Standard-SI-Einheiten. Innerhalb eines geradlinigen Materials ändern sich die Gleichungen von Maxwell durch die Schaltung der Durchdringbarkeit und permittivity des freien Raums mit der Durchdringbarkeit und permittivity des geradlinigen fraglichen Materials. Innerhalb anderer Materialien, die kompliziertere Antworten auf elektromagnetische Felder besitzen, werden diese Begriffe häufig durch komplexe Zahlen oder Tensor vertreten.

Das Lorentz-Kraft-Gesetz regelt die Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes mit der beladenen Sache.

Wenn ein Feld über zu verschiedenen Medien, den Eigenschaften der Feldänderung gemäß den verschiedenen Grenzbedingungen reist. Diese Gleichungen werden aus den Gleichungen von Maxwell abgeleitet.

Die tangentialen Bestandteile der elektrischen und magnetischen Felder, weil sie sich an der Grenze von zwei Medien beziehen, sind wie folgt:

:

: (ohne Ströme)

: (kostenloser)

:

Der Winkel der Brechung eines elektrischen Feldes zwischen Medien ist mit dem permittivity von jedem Medien verbunden:

:

Der Winkel der Brechung eines magnetischen Feldes zwischen Medien ist mit der Durchdringbarkeit von jedem Medien verbunden:

:

Eigenschaften des Feldes

Gegenseitiges Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern

Die zwei Gleichungen von Maxwell, das Gesetz von Faraday und das Gesetz von Ampère-Maxwell, illustrieren, dass eine sehr praktische Eigenschaft des Gesetzes des elektromagnetischen Feldfaradays grob festgesetzt werden kann, weil 'ein sich änderndes magnetisches Feld ein elektrisches Feld schafft'. Das ist der Grundsatz hinter dem elektrischen Generator.

Das Gesetz des Amperes stellt grob fest, dass 'ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld schafft'. So kann dieses Gesetz angewandt werden, um ein magnetisches Feld zu erzeugen und einen elektrischen Motor zu führen.

Licht als eine elektromagnetische Störung

Die Gleichungen von Maxwell nehmen die Form einer elektromagnetischen Welle in einem Gebiet an, das sehr weit weg von irgendwelchen Anklagen oder Strömen (freier Raum) ist - d. h. wo und Null sind. Es kann gezeigt werden, dass, unter diesen Bedingungen, die elektrischen und magnetischen Felder die elektromagnetische Wellengleichung befriedigen:

::

James Clerk Maxwell war erst, um diese Beziehung durch seine Vollziehung der Gleichungen von Maxwell mit der Hinzufügung eines Versetzungsstrom-Begriffes zum Circuital Gesetz des Amperes zu erhalten.

Beziehung zu und Vergleich mit anderen physischen Feldern

Eine der vier grundsätzlichen Kräfte der Natur seiend, ist es nützlich, das elektromagnetische Feld mit den schwachen und starken Gravitationsfeldern zu vergleichen. Das Wort 'Kraft' wird manchmal durch 'die Wechselwirkung' ersetzt, weil die grundsätzlichen Kräfte durch das Austauschen funktionieren, was, wie man jetzt bekannt, Maß bosons ist.

Elektromagnetische und Schwerefelder

Quellen von elektromagnetischen Feldern bestehen aus zwei Typen der Anklage - positiv und negativ. Das hebt sich von den Quellen des Schwerefeldes ab, die Massen sind. Massen werden manchmal als Gravitationsanklagen, die wichtige Eigenschaft von ihnen beschrieben, das seiend, es gibt nur einen Typ (keine negativen Massen), oder in mehr umgangssprachlichen Begriffen, 'Ernst immer attraktiv ist'.

Die Verhältniskräfte und Reihen der vier Wechselwirkungen und anderen Information werden unten tabellarisiert:

Anwendungen

Statischer E und B Felder und statische EM Felder

Wenn sich ein EM Feld (sieh elektromagnetischen Tensor), rechtzeitig nicht ändert, kann es als ein rein elektrisches Feld oder ein rein magnetisches Feld oder eine Mischung von beiden gesehen werden. Jedoch der allgemeine Fall eines statischen EM Feldes sowohl mit der elektrischen als auch mit magnetischen Teilgegenwart, ist der Fall, der den meisten Beobachtern erscheint. Beobachter, die nur einen elektrischen oder magnetischen Feldbestandteil eines statischen EM Feldes sehen, haben den anderen (elektrisch oder magnetisch) Bestandteil, der unterdrückt, zum speziellen Fall des unbeweglichen Staates der Anklagen erwartet ist, die das EM Feld in diesem Fall erzeugen. In solchen Fällen wird der andere Bestandteil Manifest in anderen Beobachter-Rahmen.

Eine Folge davon, ist, dass jeder Fall, der scheint, aus einem "reinen" statischen elektrischen oder magnetischen Feld zu bestehen, zu einem EM Feld, sowohl mit E als auch mit B Teilgegenwart, durch das einfache Bewegen des Beobachters in ein Bezugssystem umgewandelt werden kann, das sich hinsichtlich des Rahmens bewegt, in dem nur das "reine" elektrische oder magnetische Feld erscheint. D. h. ein reines statisches elektrisches Feld wird das vertraute magnetische Feld zeigen, das mit einem Strom in jedem Bezugssystem vereinigt ist, wohin sich die Anklage bewegt. Ebenfalls wird jede neue Bewegung einer Anklage in einem Gebiet, das vorher geschienen ist, nur ein magnetische Feld zu enthalten, zeigen, dass das der Raum enthält jetzt ein elektrisches Feld ebenso, das, wie man finden wird, wird, eine zusätzliche Kraft von Lorentz auf die bewegende Anklage erzeugt.

So wird Elektrostatik, sowie Magnetismus und magnetostatics, jetzt als Studien des statischen EM Feldes gesehen, als ein besonderer Rahmen ausgewählt worden ist, um den anderen Typ des Feldes zu unterdrücken, und da ein EM Feld sowohl mit elektrischem als auch mit magnetischem in jedem anderen Rahmen erscheinen wird, sind diese "einfacheren" Effekten bloß der Beobachter. Die "Anwendungen" der ganzen Nichtzeit (statische) Felder ändernd, werden in den in dieser Abteilung verbundenen Hauptartikeln besprochen.

EM zeitändernde Felder in den Gleichungen von Maxwell

Ein EM Feld, das sich rechtzeitig ändert, hat zwei "Ursachen" in den Gleichungen von Maxwell. Man ist Anklagen und Ströme (so genannte "Quellen"), und der andere Grund zu einem E oder B Feld ist eine Änderung im anderen Typ des Feldes (diese letzte Ursache erscheint auch im "freien Raum, der" von Strömen und Anklagen sehr weit ist).

Ein elektromagnetisches Feld, das von Strömen und Anklagen (Quellen) sehr weit ist, wird elektromagnetische Radiation (EMR) genannt, da es von den Anklagen und Strömen in der Quelle ausstrahlt, und keine "Feed-Back"-Wirkung auf sie hat, und auch direkt von ihnen in der Gegenwart nicht betroffen wird (eher, wird es durch Folgen von Änderungen in Feldern indirekt erzeugt, die aus ihnen in der Vergangenheit ausstrahlen). EMR besteht aus den Radiationen im elektromagnetischen Spektrum, einschließlich Funkwellen, Mikrowelle, infraroten, sichtbaren leichten, ultravioletten Lichtes, Röntgenstrahlen und Gammastrahlung. Die vielen kommerziellen Anwendungen dieser Radiationen werden in den genannten und verbundenen Artikeln besprochen.

Eine bemerkenswerte Anwendung des sichtbaren Lichtes ist, dass dieser Typ der Energie von der Sonne das ganze Leben auf der Erde antreibt, die entweder macht oder Sauerstoff verwendet.

Ein sich änderndes elektromagnetisches Feld, das physisch Strömen und Anklagen nah ist (sieh nahes und weites Feld für eine Definition "des Endes"), wird eine Dipoleigenschaft haben, die entweder durch einen sich ändernden elektrischen Dipol oder durch einen sich ändernden magnetischen Dipol beherrscht wird. Dieser Typ des Dipolfeldes in der Nähe von Quellen wird ein elektromagnetisches nahes Feld genannt.

Das Ändern von elektrischen Dipolfeldern, als solcher, wird gewerblich als nahe Felder hauptsächlich als eine Quelle der dielektrischen Heizung verwendet. Sonst erscheinen sie parasitisch um Leiter, die EMR, und um Antennen absorbieren, die den Zweck haben, EMR in größeren Entfernungen zu erzeugen.

Das Ändern magnetischer Dipolfelder (d. h., magnetischer naher Felder) wird gewerblich für viele Typen von magnetischen Induktionsgeräten verwendet. Diese schließen Motoren und elektrische Transformatoren an niedrigen Frequenzen und Geräte wie Metallentdecker und MRI Scanner-Rollen an höheren Frequenzen ein. Manchmal ändern sich diese magnetischen Hochfrequenzfelder an Radiofrequenzen, ohne Fernbereich-Wellen und so Funkwellen zu sein; sieh RFID Anhängsel.

Weiterer Gebrauch von EM Nah-Feldeffekten gewerblich, kann im Artikel über virtuelle Fotonen gefunden werden, da am Quant-Niveau diese Felder durch diese Partikeln vertreten werden. Fernbereich-Effekten (EMR) im Quant-Bild der Radiation, werden durch gewöhnliche Fotonen vertreten.

Gesundheit und Sicherheit

Die potenziellen Gesundheitseffekten der sehr niedrigen Frequenz EMFs Umgebungsstarkstromleitungen und elektrische Geräte sind das Thema der andauernden Forschung und ein bedeutender Betrag der öffentlichen Debatte. In Arbeitsplatz-Umgebungen, wo EMF Aussetzungen bis zu 10,000mal größer sein können als der Durchschnitt, hat das Nationale US-Institut für den Arbeitsschutz (NIOSH) einen warnenden advisories ausgegeben, aber betont, dass die Daten zurzeit zu beschränkt werden, um gute Schlüsse zu ziehen.

Die potenziellen Effekten von elektromagnetischen Feldern auf der menschlichen Gesundheit ändern sich weit abhängig von der Frequenz und Intensität der Felder. Für weitere Informationen über die Gesundheitseffekten wegen spezifischer Teile des elektromagnetischen Spektrums, sieh die folgenden Artikel:

  • Statische elektrische Felder: Sieh Stromschlag
  • Statische magnetische Felder: Sieh
MRI#Safety
  • Äußerst niedrige Frequenz (ELF): Sieh, dass Macht lines#Health betrifft
  • Radiofrequenz (RF): Sieh Elektromagnetische Radiation und Gesundheit
  • Licht: Sieh Lasersicherheit
  • Ultraviolett (UV): Sieh Sonnenbrand
  • Gammastrahlung: Sieh Gammastrahl
  • Mobilfunk: Sieh Mobiltelefonradiation und Gesundheit

Siehe auch

Links


Der amerikanische Gefangene / Reich-Staatsgebäude
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