Elektromagnetisme

De elektromagnetische kracht komt voort uit een elektromagnetisch veld. In de natuurkunde is een veld de manier waarop we dingen bijhouden die in ruimte en tijd kunnen veranderen. Het is als een reeks labels voor elk punt in de ruimte. Zo zou de luchttemperatuur in een kamer kunnen worden beschreven door een veld, waarbij de labels gewoon getallen zijn die aangeven hoe warm het is op dat punt in de kamer. We kunnen ook ingewikkelder labels gebruiken. Op een kaart met windsnelheden zou het label een getal kunnen zijn dat aangeeft hoe sterk de wind is en een pijl die aangeeft in welke richting hij waait. Wij noemen dit een vectorveld omdat elk label een vector is - het heeft een richting (de pijl) en een grootte (de sterkte).

Elektrische en magnetische velden zijn ook velden. In plaats van temperatuur of windsnelheid vertellen ze ons hoeveel duw of trek een geladen deeltje op dat punt in de ruimte zal voelen, en in welke richting het zal worden geduwd. Net als windsnelheden zijn ook elektrische velden vectorvelden, zodat ze als pijlen kunnen worden getekend. De pijlen wijzen in welke richting een positief deeltje, zoals een proton, wordt geduwd als het zich in het veld bevindt. Negatieve deeltjes, zoals elektronen, gaan in de tegenovergestelde richting van de pijlen. In een elektrisch veld wijzen de pijlen weg van positieve deeltjes en naar negatieve deeltjes. Een proton in een elektrisch veld beweegt dus weg van een ander proton, of naar een elektron. Gelijke ladingen stoten af (duwen elkaar weg), terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken (worden samengetrokken).

Magnetische velden zijn een beetje anders. Ze duwen alleen op bewegende ladingen, en ze duwen meer op ladingen die sneller bewegen. Maar ze duwen helemaal niet op ladingen die stilstaan. Een veranderend magnetisch veld kan echter een elektrisch veld veroorzaken, en een elektrisch veld kan op alle ladingen duwen. Dit idee, dat elektromagnetische inductie wordt genoemd, wordt gebruikt om elektrische generatoren, inductiemotoren en transformatoren te laten werken. Elektrische en magnetische velden vormen samen het elektromagnetische veld.

Tot de jaren 1800 dacht men dat elektriciteit en magnetisme twee verschillende dingen waren. Dit veranderde echter toen wetenschappers als Hans Christian Ørsted en Michael Faraday bewezen dat elektriciteit en magnetisme wel degelijk met elkaar verbonden waren. In 1820 ontdekte Ørsted dat wanneer hij de elektrische stroom van een batterij aan en uit zette, dit de naald van een nabijgelegen kompas in beweging bracht. Toen hij dit effect nauwkeuriger bestudeerde, ontdekte hij dat de elektrische stroom een magnetisch veld produceerde. Dat wil zeggen dat wanneer elektrische ladingen bewegen, zij een kracht kunnen produceren die op magneten drukt. Ørsted had een van de eerste verbanden gevonden tussen elektriciteit en magnetisme.

Faraday bleef dit verband bestuderen en deed proeven met lussen van draad en magneten. Hij ontdekte dat als hij twee lussen van draad opzette en elektriciteit door slechts één ervan liet lopen, hij (voor even) ook in de andere lus een elektrische stroom kon opwekken. Faraday ontdekte ook dat hij stroom kon opwekken door een magneet door een draadlus te bewegen, of door de draad over een magneet te bewegen. Faraday had aangetoond dat magneten kunnen terugduwen op bewegende elektrische ladingen, en dat bewegende magneten kunnen duwen op ladingen die stilstaan. Dit leek op wat Ørsted had gevonden, maar dan omgekeerd.

In 1873 vatte James Clerk Maxwell deze verbanden samen in zijn theorie van het "klassieke elektromagnetisme", elektriciteit en magnetisme samen. Deze theorie was gebaseerd op een reeks van vier vergelijkingen, de vergelijkingen van Maxwell, en de wet van de Lorentz-kracht. De vergelijkingen van Maxwell vertelden ons hoe we elektriciteit en magnetisme met elkaar in verband konden brengen. Ze stelden dat ladingen die stilzitten andere ladingen kunnen duwen, maar dat bewegende ladingen magnetische velden kunnen produceren die op magneten duwen. Anderzijds kunnen stilstaande magneten alleen op bewegende ladingen duwen, maar kunnen bewegende magneten op alle elektrische ladingen duwen.

Bovendien toonden de studies van Maxwell aan dat licht kan worden beschreven als een rimpeling in het elektromagnetische veld. Dat wil zeggen, licht beweegt als een golf. Maxwells werk was echter niet in overeenstemming met de klassieke mechanica, de beschrijving van krachten en beweging die oorspronkelijk door Newton was ontwikkeld. Maxwells vergelijkingen voorspelden dat licht altijd met dezelfde snelheid door de lege ruimte beweegt. Dit was een probleem omdat in de klassieke mechanica snelheden "additief" zijn -- als een persoon A in een trein met snelheid X een bal met snelheid Y gooit, dan ziet een persoon B op de grond de bal met snelheid X+Y bewegen. Volgens Maxwell ziet persoon A die een zaklamp aansteekt, het licht van zich af bewegen met snelheid c. Maar persoon B op de grond moet het licht ook zien bewegen met snelheid c, niet c+X. Dit leidde tot de ontwikkeling van de speciale relativiteitstheorie door Einstein, die verklaarde hoe de lichtsnelheid voor iedereen gelijk kon zijn, en waarom de klassieke mechanica niet werkt voor dingen die heel snel bewegen.

Problemen in klassiek elektromagnetisme

Het werk van Albert Einstein met het foto-elektrisch effect en het werk van Max Planck met blackbodystraling strookten niet met de traditionele opvatting van licht als een continue golf. Dit probleem zou worden opgelost na de ontwikkeling van de kwantummechanica in 1925. Deze ontwikkeling leidde tot de ontwikkeling van de kwantumelektrodynamica, die werd ontwikkeld door Richard Feynman en Julian Schwinger. De kwantumelektrodynamica was in staat om de interacties deeltjes in detail te beschrijven.

Men denkt dat elektromagnetische straling zowel een deeltje als een golf is. Dat komt omdat zij zich soms gedraagt als een deeltje en soms als een golf. Om het gemakkelijker te maken kunnen we een elektromagnetische golf zien als een stroom fotonen (symbool γ).

Fotonen

Een foton is een elementair deeltje, wat betekent dat het niet kan worden opgesplitst in kleinere deeltjes. Het is het deeltje waaruit licht bestaat. Fotonen vormen ook alle andere soorten elektromagnetische straling, zoals gammastralen, röntgenstraling en UV-straling. Het idee van fotonen is bedacht door Einstein. Met zijn theorie over het foto-elektrisch effect zei Einstein dat licht bestond in kleine "pakketjes" of pakketjes die hij fotonen noemde.

Fotonen hebben energie en momentum. Wanneer twee geladen voorwerpen elkaar duwen of aantrekken, sturen ze fotonen heen en weer. Fotonen dragen dus de elektromagnetische kracht tussen geladen voorwerpen. Fotonen worden in de natuurkunde ook wel boodschapperdeeltjes genoemd, omdat deze deeltjes vaak boodschappen overbrengen tussen voorwerpen. Fotonen sturen boodschappen die zeggen "kom dichterbij" of "ga weg", afhankelijk van de lading van de objecten die worden bekeken. Als er een kracht bestaat terwijl de tijd verstrijkt, dan worden er gedurende die tijd fotonen uitgewisseld.

Fundamentele elektromagnetische interacties treden op tussen twee deeltjes met elektrische lading. Deze interacties gaan gepaard met de uitwisseling of productie van fotonen. Fotonen zijn dus de dragerdeeltjes van elektromagnetische interacties.

Elektromagnetische vervalprocessen zijn vaak te herkennen aan het feit dat zij één of meer fotonen (ook wel gammastralen genoemd) produceren. Zij verlopen minder snel dan sterke vervalprocessen met vergelijkbare massaverschillen, maar sneller dan vergelijkbare zwakke vervalprocessen.