În fizică, forța electromagnetică este o influență care afectează particulele încărcate electric. Alături de gravitație, este forța pe care oamenii o întâlnesc cel mai mult în fiecare zi și explică majoritatea fenomenelor cu care oamenii sunt familiarizați. Este responsabil pentru electricitate, magnetism și lumină; menține electronii și protonii împreună în atomi; și permite atomilor să se lege între ei pentru a forma molecule și conduce reacții chimice. Această forță este, de asemenea, responsabilă pentru soliditatea obiectelor solide și este motivul pentru care acestea nu pot trece unele prin altele.
Forța electromagnetică este una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii. Celelalte trei sunt forța gravitațională, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă. Forța nucleară puternică este cea mai puternică dintre acestea, dar operează doar pe o rază extrem de scurtă. Forța electromagnetică este a doua cea mai puternică și, la fel ca gravitația, operează pe distanțe nelimitate.
Legea inversă a pătratului
La fel ca gravitația, forța electromagnetică urmează legea inversului pătratului. Aceasta înseamnă că puterea forței este invers proporțională cu pătratul distanței de la sursa ei. Deci, de exemplu, dacă cineva se deplasează cu 5 unități de la sursa forței, intensitatea se reduce la 1/25.
Taxe pozitive si negative
Spre deosebire de gravitație, forța electromagnetică este resimțită doar de obiectele care au o sarcină electrică, care poate fi pozitivă sau negativă. Obiectele cu diferite tipuri de sarcini se atrag unele pe altele, dar cele cu același tip se resping. Aceasta înseamnă că forța poate fi atractivă sau respingătoare, în funcție de sarcinile implicate. Deoarece majoritatea obiectelor, de cele mai multe ori, nu au o sarcină electrică totală, ele nu simt forța electromagnetică, ceea ce explică de ce gravitația, deși o forță mult mai slabă, domină la scară mare.
Când două materiale diferite se freacă împreună, electronii se pot deplasa de la unul la altul, lăsând unul cu o sarcină pozitivă, iar celălalt cu o sarcină negativă. Cei doi se vor atrage apoi unul pe altul și pot fi atrași de obiecte neutre din punct de vedere electric. Aceasta este cunoscută sub numele de electricitate statică și poate fi demonstrată prin diverse experimente simple, cum ar fi frecarea unui balon cu o bucată de blană și lipirea acestuia de un perete – este ținut acolo prin atracție electrostatică.
Un curent electric circulă atunci când electronii se deplasează de-a lungul unui fir sau altui conductor dintr-o regiune cu un exces de electroni către una în care există un deficit. Se spune că curentul curge de la negativ la pozitiv. Într-un circuit simplu care folosește o baterie, electronii curg de la borna pozitivă la borna negativă atunci când circuitul este finalizat.
La scară atomică, atracția dintre protonii încărcați pozitiv din nucleu și electronii încărcați negativ din exterior ține atomii împreună și le permite să se lege între ei pentru a forma molecule și compuși. Protonii din nucleu sunt menținuți în loc de forța nucleară puternică, care, la această scară extrem de mică, învinge repulsia electromagnetică.
Câmpuri electromagnetice
Conceptul de câmpuri electromagnetice a fost dezvoltat pentru prima dată de omul de știință Michael Faraday la începutul secolului al XIX-lea. El a arătat că obiectele încărcate electric și magnetizate se pot influența unele pe altele la distanță. De exemplu, un curent electric care curge printr-o bobină de sârmă ar putea devia acul busolei și poate induce un curent într-o altă bobină, din apropiere. El a arătat, de asemenea, că un câmp magnetic în schimbare ar putea produce un curent electric într-un fir. Aceasta a stabilit o legătură între electricitate și magnetism și existența unui câmp care variază în funcție de distanța din jurul obiectelor încărcate electric sau magnetice.
Mai târziu, în secolul al XIX-lea, fizicianul James Clerk Maxwell a produs o serie de ecuații care au explicat nu numai relația dintre electricitate și magnetism, dar au arătat și că lumina este o perturbare sub formă de undă a câmpului electromagnetic. A ajuns la această concluzie când a calculat viteza cu care se deplasează influențele electromagnetice și a constatat că aceasta a fost întotdeauna viteza luminii. Implicația a fost că lumina era o formă de radiație electromagnetică care a călătorit ca unde. Acest lucru a condus la teoria electrodinamicii clasice, în care o undă electromagnetică este generată de o sarcină electrică în mișcare. Mișcarea unei bobine de sârmă într-un câmp magnetic poate genera unde radio de energie scăzută, în timp ce mișcarea mai energică a electronilor într-un fir fierbinte poate genera lumină vizibilă.
Electrodinamică cuantică
Odată cu investigarea lui Einstein asupra efectului fotoelectric, în care lumina poate disloca electronii de pe o suprafață metalică, a venit descoperirea că radiația electromagnetică (EMR) se poate comporta ca niște particule, precum și ca unde. Aceste particule se numesc fotoni. Electronii dintr-un atom pot câștiga energie prin absorbția unui foton și pot pierde energie prin emiterea unuia. În acest fel, EMR poate fi explicată ca emisia de fotoni atunci când electronii experimentează o scădere a nivelurilor de energie.
Conform teoriei cuantice, toate cele patru forțe ale naturii pot fi explicate în termeni de schimb de particule, ca fotografiile în cazul forței electromagnetice. Pentru a explica această forță într-o manieră care să fie în concordanță cu teoria cuantică, a fost dezvoltată teoria electrodinamicii cuantice. Ideea este că forța electromagnetică este mediată de fotoni „virtuali” care există doar trecător în timpul interacțiunilor dintre particulele încărcate. El explică toate interacțiunile electromagnetice, iar testele riguroase au dovedit că este o teorie foarte precisă.