elektromagneetismi

Elektromagneetismi on fysiikan osa-alue, joka tutkii sähköisten ja magnetisten ilmiöiden välistä vuorovaikutusta sekä sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, syntyä, kulkua ja vuorovaikutusta aineen kanssa. Se kattaa sekä staattiset että dynaamiset ilmiöt ja muodostaa perustan klassiselle elektrodynamiikalle, optiikalle sekä monille teknologisille sovelluksille.

Historia: Sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutus tuli tunnetuksi Hans Christian Ørstedin havainnoista, että sähkövirta vaikuttaa magneettiseen kenttään, sekä Faradayn kokeista, joissa magneettikentän muutokset indusoivat sähkövirran. Ampèren ja Gaussin panokset kevensivät kenttien laskentaa. 1860-luvulla James Clerk Maxwell yhdisti nämä ilmiöt ja osoitti, että muuttuvat sähkö- ja magneettikentät tukevat toisiaan, ja että sähkömagneettiset aallot voivat edetä tyhjiössä valon nopeudella.

Perusteet: Maxwellin yhtälöt kuvaavat kenttien dynamiikkaa: div E = ρ/ε0, div B = 0, curl E = -∂B/∂t, curl B = μ0 J + μ0 ε0 ∂E/∂t. Näiden avulla johdetaan sähkömagneettisen säteilyn aaltoilu ja sen vuorovaikutukset aineen kanssa. Kenttien energian tiheys u = 1/2 (ε0 E^2 + B^2/μ0) ja Poynting-vektori S = E × B / μ0 kuvaavat energian virtausta. Aineen ominaisuudet, kuten permittiviteetti ε ja permeabiliteetti μ sekä johtavuus σ, määrittävät kenttien läpäisevyyden ja kulun.

Kvanttinen näkökulma: Nykyään elektromagneetismia käsitellään myös kvanttisesti. Säteily ja vuorovaikutukset kuvataan fotonien välisinä prosesseina; kvanttimekaniikka yhdistettynä sähkömagneettisuuteen tunnetaan kvant Elektrodynamiikkana (QED), joka on erittäin tarkka luonteeltaan.

Sovellukset: Elektromagneetismi kattaa muun muassa sähkö- ja moottori-, generaattori- ja muuntajiteollisuuden, radioviestinnän ja telekommunikaation, optiikan sekä lääketieteelliset kuvantamismenetelmät kuten MRI.