ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
กลศาสตร์ควอนตัม
สมการชเรอดิงเงอร์
ความรู้เบื้องต้น

หลักการทางคณิตศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์
พลังค์ · ไอน์สไตน์ · บอร์ · ซอมเมอร์เฟลด์ · โพส · เครเมอร์ส · ไฮเซนแบร์ก· บอร์น · จอร์แดน · เพาลี · ดิแรก · เดอ เบรย ·ชเรอดิงเงอร์ · ฟอน นอยมันน์ · วิกเนอร์ · ไฟน์แมน · Candlin · บอห์ม · เอฟเรตต์ · เบลล์ · เวน

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (อังกฤษ: Electromagnetism) เป็นสาขาหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษา แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ (Physical interaction) ชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุไฟฟ้า แรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นถูกส่งผ่านโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic field) ที่ประกอบไปด้วยสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก และเป็นต้นเหตุของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นแสง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน (เรียกอีกแบบเป็น แรง) ในธรรมชาติ อีกสามแรงพื้นฐานได้แก่ อันตรกิริยาอย่างเข้ม, อันตรกิริยาอย่างอ่อน และแรงโน้มถ่วง[1]

ฟ้าผ่าเป็นการระบายออกของไฟฟ้าสถิตแบบหนึ่งที่ไฟฟ้าสถิตจะเดินทางระหว่างสองภูมิภาคท​​ี่มีประจุไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้ามาจากภาษาอังกฤษ electromagnet คำนี้ป็นรูปแบบผสมของคำภาษากรีกสองคำได้แก่ ἤλεκτρον (ēlektron) หมายถึง อิเล็กตรอน และ μαγνῆτιςλίθος (magnētis lithos) ซึ่งหมายถึง "หินแม่เหล็ก" ซึ่งเป็นแร่เหล็กชนิดหนึ่ง ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าถูกนิยามในความหมายของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า บางครั้งถูกเรียกว่าแรงลอเรนซ์ (อังกฤษ: Lorentz force) ซึ่งประกอบด้วยทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็กในฐานะที่เป็นสององค์ประกอบของปรากฏการณ์เดียวกัน

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติภายในของวัตถุส่วนใหญ่ที่พบในชีวิตประจำวัน สสารทั่วไปจะได้รูปของมันจากผลของแรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular force) ของโมเลกุลแต่ละตัวในสสาร แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนตามกลไกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับวงโคจรรอบนิวเคลียส และยึดเหนี่ยวอะตอมไว้ด้วยกันซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของโมเลกุล แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวการให้เกิดพันธะเคมีระหว่างอะตอมทำให้เกิดโมเลกุลและแรงระหว่างโมเลกุล กระบวนการนี้จะควบคุมกระบวนการที่เกี่ยวข้องทั้งหลายในทางเคมีซึ่งเกิดขึ้นจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมหนึ่งกับอิเล็กตรอนอื่นในวงโคจรของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งจะถูกกำหนดโดยการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากับโมเมนตัมของอิเล็กตรอนเหล่านั้น

มีคำอธิบายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทางคณิตศาสตร์จำนวนมาก ในไฟฟ้าพลศาสตร์แบบคลาสสิก (อังกฤษ: classical electrodynamics) สนามไฟฟ้าจะอธิบายถึงศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ในกฎของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กจะมาพร้อมกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็ก, และสมการของแมกซ์เวลจะอธิบายว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร มีการเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันอย่างไร และมีการเปลี่ยนแปลงโดยประจุและกระแสได้อย่างไร

การแสดงเจตนาเป็นนัยในทางทฤษฎีของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะในการจัดตั้งของความเร็วของแสงที่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ "ตัวกลาง" ของการกระจายคลื่น (ความสามารถในการซึมผ่าน (อังกฤษ: permeability) และแรงต้านสนามไฟฟ้า (อังกฤษ: permittivity)) นำไปสู่​​การพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1905

แม้ว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถือเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐาน แต่ที่ระดับพลังงานสูงอันตรกิริยาอย่างอ่อนและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถูกรวมเป็นสิ่งเดียวกัน เช่นในประวัติศาสตร์ของจักรวาลในช่วงยุคควาร์ก แรงไฟฟ้าอ่อน (Electroweak interaction) (อังกฤษ: electroweak force) จะหมายถึงแรง(แม่เหล็ก)ไฟฟ้า + (อันตรกิริยาอย่าง)อ่อน

ประวัติของทฤษฎี[แก้]

เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์

แต่เดิม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกคิดว่าเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ความคิดนี้เปลี่ยนไปเมื่อหนังสือชื่อ A Treatise on Electricity and Magnetism ของเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ ถูกพิมพ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1873 บ่งว่า ปฏิสัมพันธ์ของประจุบวกและประจุลบถูกควบคุมโดยแรงเดียว ผลของการปฏิสัมพันธ์ทำให้เกิดผลกระทบสี่เรื่องหลัก ๆ ผลกระทบเหล่านี้สามารถสาธิตให้ดูได้จากการทดลอง ดังนี้

  1. ประจุไฟฟ้าดูดหรือผลักกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางกำลังสองระหว่างประจุนั้น ประจุต่างกันดูดกัน ประจุเหมือนกันผลักกัน
  2. ขั้วแม่เหล็ก (หรือสภาวะการวางตัวที่จุดใด ๆ) ดูดและผลักกันในทำนองเดียวกัน และขั้วแม่เหล็กมาเป็นคู่เสมอ คือขั้วเหนือและขั้วใต้
  3. กระแสไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดสร้างสนามแม่เหล็กเป็นวงกลมรอบเส้นลวดนั้น ทิศทางของสนามแม่เหล็ก (ตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกา) ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสในเส้นลวด
  4. กระแสไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำในขดลวด เมื่อขดลวดเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากสนามแม่เหล็ก หรือแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากขดลวด ทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่

ในขณะที่ฮันส์ คริสเทียน เออร์สเตด กำลังเตรียมการสอนในตอนเย็นของวันที่ 21 เมษายน ค.ศ. 1820 เขาได้สังเกตเห็นสิ่งน่าแปลกใจบางอย่าง เขาสังเกตเห็นเข็มทิศขยับออกจากทิศเหนือเมื่อกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรีที่เขาใช้อยู่ถูกปิดหรือเปิด การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เขามั่นใจว่าสนามแม่เหล็กถูกแผ่ออกมาจากทุกด้านของลวดที่มีกระแสไหลผ่าน เหมือนกับที่แสงและความร้อนแผ่รังสีออกมา และเป็นการยืนยันความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและอำนาจแม่เหล็ก

ในตอนนั้น เออร์สเตด ไม่ได้ให้คำอธิบายของปรากฏการณ์อันนั้นให้เป็นที่น่าพอใจได้ และก็ไม่ได้พยายามที่จะนำเสนอปรากฏการณ์ในรูปแบบของคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม อีกสามเดือนต่อมา เขาก็เริ่มค้นคว้าหาสาเหตุอย่างจริงจัง ไม่นานเขาก็พิมพ์สิ่งที่เขาค้นพบ พิสูจน์ว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อมีกระแสไหลผ่านเส้นลวด คำว่า เออร์สเตด จึงเป็นหน่วยวัดการเหนี่ยวนำของแม่เหล็ก ถูกตั้งให้เป็นเกียรติแก่เขาในฐานะมีคุณูปการต่อวิชาการด้านทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

การค้นพบของเออร์สเตดมีผลทำให้มีการค้นคว้าในกลุ่มนักวิทยาศาสตร์กันอย่างมากมายในเรื่อง พลศาสตร์ไฟฟ้า หรืออิเล็กโทรไดนามิกส์ (electrodynamics; การปฏิสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก) สาขานี้มีอิทธิพลต่อนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ ที่พัฒนารูปแบบทางคณิตศาสตร์แบบเดียวเพื่อแสดงอำนาจแม่เหล็กระหว่างตัวนำหลายตัวที่มีกระแสไหลผ่าน การค้นพบของเออร์สเตดยังเป็นก้าวสำคัญในการทำให้กรอบความคิดเกี่ยวกับพลังงานเป็นหนึ่งเดียว

ไมเคิล ฟาราเดย์

การเป็นหนึ่งเดียว ทำให้ไมเคิล ฟาราเดย์ นำไปใช้ ขยายเพิ่มเติมโดยเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ และสร้างสูตรบางส่วนขึ้นมาโดยโอลิเวอร์ เฮฟวีไซด์ และไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ เป็นความสำเร็จอย่างสำคัญสำหรับฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์ในศตวรรษที่ 19 ผลที่ตามมาไปไกลมาก หนึ่งในนั้นก็คือความเข้าใจในธรรมชาติของแสง ไม่เหมือนกับสิ่งที่นำเสนอในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า แสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ในปัจจุบันถูกมองว่าอยู่ในรูปของปริมาณที่แน่นอน เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีออกไปด้วยตัวเองในรูปคลื่นแกว่งไปมาซึ่งถูกเรียกว่าโฟตอน ความถี่ในการแกว่งที่ต่างกันทำให้รูปแบบการแผ่อำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบที่แตกต่างกัน จากคลื่นวิทยุที่มีความถี่ต่ำสุด ไปจนถึงความถี่ขนาดกลางที่เป็นแสงมองเห็นได้ และความถี่สูงสุดเป็นรังสีแกมมา

ออร์สเตดไม่ใช่คนเดียวที่ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็ก ในปี ค.ศ. 1802 จาน โดเมนิโก โรมานยอซิ นักวิชาการกฎหมายชาวอิตาลี ขยับเข็มแม่เหล็กด้วยประจุไฟฟ้าสถิต สิ่งที่เกิดขึ้นจริงคือ ไม่มีกระแสกัลวานิกไหล จึงไม่มีอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น การค้นพบถูกตีพิมพ์ในหนังสือพิมพ์อิตาลีในปี ค.ศ. 1802 แต่ถูกกลุ่มนักวิทยาศาสตร์มองข้ามไปในสมัยนั้น[2]

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก[แก้]

เราอาจเข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้า และทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้น แรงนี้ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต และทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ในตัวนำขึ้น ขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็ก และทำให้เกิดแรงแม่เหล็กต่อวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกวาดเป็นมโนภาพให้เป็นคลื่นไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แกว่งกระจายออกจากแหล่งกำเนิดได้เอง สนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้ง สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวนอน

คำว่า "แม่เหล็กไฟฟ้า" มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ถ้ากฎของฟิสิกส์จะเหมือนกันใน ทุก กรอบอ้างอิงเฉื่อย (Inertia frame of reference) การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า (เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เป็นพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้านั่นเอง) ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เนื่องจาก สนามทั้งสองไม่สามารถแยกจากกันได้ จึงควรรวมให้เป็นอันเดียวกัน เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้รวมสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกันด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เพียงสี่สมการ ที่เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ ทำให้เกิดการพัฒนาฟิสิกส์ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19 เป็นอย่างมาก และนำไปสู่ความเข้าใจในเรื่องต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น แสงนั้น อธิบายได้ว่าเป็นการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกไป หรือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง ความถี่ของการสั่นที่แตกต่างกันทำให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เช่น คลื่นวิทยุเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำ แสงที่มองเห็นได้เกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ปานกลาง รังสีแกมมาเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ามีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905

อันตรกิริยาพื้นฐาน[แก้]

Representation of the electric field vector of a wave of circularly polarized electromagnetic radiation.

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐาน แรงอื่น ๆ มี:

แรงอื่น ๆ ทั้งหมด เช่นแรงเสียดทาน และแรงสัมผัส เป็นแรงที่เกิดมาจากทั้งสี่แรงพื้นฐานนั้น[3]

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์ทุก ๆ อันที่พบเจอในชีวิตประจำวันที่มีขนาดเหนือนิวเคลียร์ ยกเว้นความโน้มถ่วง ถ้าพูดแบบกว้าง ๆ แรงทุกอันที่มีการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมสามารถอธิบายได้ด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำระหว่างนิวเคลียสของอะตอมกับอิเล็กตรอนของอะตอมที่มีประจุไฟฟ้า แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายังอธิบายวิธีการที่อนุภาคแบกโมเมนตัมด้วยการเคลื่อนที่ของมันด้วย ซึ่งนี่รวมไปถึงแรงที่รู้สึกใน "การดัน" หรือ "การดึง" วัตถุวัสดุทั่วไปที่่เป็นผลมาจากแรงระหว่างโมเลกุลที่กระทำระหว่างโมเลกุลในร่างกายและในวัตถุนั้น ๆ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าก็ยังมีบทบาทในปรากฏการณ์ทางเคมีทุกรูปแบบ

ปริมาณและหน่วย[แก้]

สัญลักษณ์[4] ชื่อปริมาณ หน่วยอนุพันธ์ หน่วย หน่วยฐาน
Q ประจุไฟฟ้า คูลอมบ์ C A⋅s
I กระแสไฟฟ้า แอมแปร์ (หน่วยฐานเอสไอ) A A (= W/V = C/s)
J ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า (current density) แอมแปร์ต่อตารางเมตร A/m2 A⋅m−2
U, ΔV, Δφ; E ความต่างศักย์; แรงเคลื่อนไฟฟ้า โวลต์ V J/C = kg⋅m2⋅s−3⋅A−1
R; Z; X ความต้านทานไฟฟ้า; อิมพีแดนซ์; รีแอคแตนซ์ (reactance) โอห์ม Ω V/A = kg⋅m2⋅s−3⋅A−2
ρ สภาพต้านทานไฟฟ้า โอห์มเมตร Ω⋅m kg⋅m3⋅s−3⋅A−2
P กำลังไฟฟ้า วัตต์ W V⋅A = kg⋅m2⋅s−3
C ความจุไฟฟ้า (capacitance) ฟารัด F C/V = kg−1⋅m−2⋅A2⋅s4
ΦE ฟลักซ์ไฟฟ้า (electric flux) โวลต์เมตร V⋅m kg⋅m3⋅s−3⋅A−1
E ความแรงสนามไฟฟ้า โวลต์ต่อเมตร V/m N/C = kg⋅m⋅A−1⋅s−3
D สนามการกระจัดไฟฟ้า (electric displacement field) คูลอมบ์ต่อตารางเมตร C/m2 A⋅s⋅m−2
ε แรงต้านสนามไฟฟ้า ฟารัดต่อเมตร F/m kg−1⋅m−3⋅A2⋅s4
χe ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า (electric susceptibility) (ไม่มีหน่วย (dimensionless quantity)) 1 1
G; Y; B คอนดักแตนซ์; แอดมิตแตนซ์ (Admittance); ซัซเซพแตนซ์ (susceptance) ซีเมนส์ (Siemens (unit)) S Ω−1 = kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2
κ, γ, σ สภาพนำไฟฟ้า ซีเมนส์ต่อเมตร S/m kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B ความเข้มสนามแม่เหล็ก, การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก เทสลา T Wb/m2 = kg⋅s−2⋅A−1 = N⋅A−1⋅m−1
Φ, ΦM, ΦB ฟลักซ์แม่เหล็ก เวเบอร์ Wb V⋅s = kg⋅m2⋅s−2⋅A−1
H ความแรงสนามแม่เหล็ก แอมแปร์ต่อเมตร A/m A⋅m−1
L, M ความเหนี่ยวนำ (inductance) เฮนรี H Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m2⋅s−2⋅A−2
μ ความสามารถซึมผ่าน (permeability) เฮนรีต่อเมตร H/m kg⋅m⋅s−2⋅A−2
χ ความอ่อนไหวทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility) (ไม่มีหน่วย (dimensionless quantity)) 1 1

อ้างอิง[แก้]

  1. Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentals of applied electromagnetics (6th ed.). Boston: Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.
  2. Martins, Roberto de Andrade. "Romagnosi and Volta's Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity". In Fabio Bevilacqua and Lucio Fregonese (eds). Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times (PDF). vol. 3. Università degli Studi di Pavia. pp. 81–102. สืบค้นเมื่อ 2010-12-02.
  3. Browne, "Physics for Engineering and Science," p. 160: "Gravity is one of the fundamental forces of nature. The other forces such as friction, tension, and the normal force are derived from the electric force, another of the fundamental forces. Gravity is a rather weak force... The electric force between two protons is much stronger than the gravitational force between them."
  4. International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. pp. 14–15. Electronic version.