Две силы — одна теория
Электричество и магнетизм казались независимыми явлениями до XIX века. Электричество — молнии, статика янтаря; магнетизм — компас, магнитные камни. Ханс Кристиан Эрстед (1820) случайно обнаружил, что электрический ток отклоняет стрелку компаса — электричество создаёт магнитное поле. Андре-Мари Ампер (1820–1825) математически описал силу между проводниками с током и предложил, что магнетизм — проявление движущихся зарядов.
Майкл Фарадей (1831) совершил обратное открытие: меняющееся магнитное поле создаёт электрический ток — электромагнитная индукция. Это самое практически важное открытие XIX века: без индукции нет генераторов, трансформаторов и электростанций.
Уравнения Максвелла: 4 формулы для всего
Джеймс Клерк Максвелл (1865) объединил все электромагнитные явления в 4 уравнения. Первое (закон Гаусса для электричества): электрические заряды создают электрическое поле. Второе (закон Гаусса для магнетизма): магнитных зарядов (монополей) не существует. Третье (закон Фарадея): меняющееся магнитное поле создаёт электрическое. Четвёртое (закон Ампера–Максвелла): меняющееся электрическое поле создаёт магнитное.
Из уравнений следовало предсказание: электромагнитные волны распространяются со скоростью ~300 000 км/с — ровно скорость света. Вывод Максвелла: свет — электромагнитная волна. Генрих Герц (1888) экспериментально создал и обнаружил радиоволны — подтверждение теории. Ричард Фейнман назвал уравнения Максвелла «самым значительным событием XIX века».
Электромагнитный спектр
Все электромагнитные волны — одной природы, разница только в длине волны и частоте. Радиоволны (>1 мм): AM/FM радио, телевидение, Wi-Fi (2,4/5 ГГц), Bluetooth (2,4 ГГц). Микроволны (1 мм – 30 см): радары, микроволновки (2,45 ГГц), 5G (миллиметровые волны). Инфракрасное (0,7 мкм – 1 мм): тепловизоры, пульты ДУ, инфракрасные сауны. Видимый свет (380–780 нм): единственный диапазон, воспринимаемый глазом. Ультрафиолет (10–380 нм): загар, стерилизация. Рентген (0,01–10 нм): медицинская диагностика. Гамма-лучи (<0,01 нм): ядерные реакции, рак-терапия.
Применение: энергетика, связь, электроника
Электромагнитная индукция Фарадея — основа генераторов электроэнергии. Вращение катушки в магнитном поле → переменный ток. Все электростанции мира (ГЭС, ТЭС, АЭС, ветряки) используют этот принцип. Трансформаторы меняют напряжение для передачи на расстояния — потери пропорциональны I², поэтому повышают напряжение до 500 кВ.
Электродвигатели — обратный процесс: ток в магнитном поле создаёт вращение. 45% мирового электричества потребляют электродвигатели. Беспроводная связь: Маркони (1895) передал первый радиосигнал. Сегодня: 4G/5G, Wi-Fi, GPS, Starlink — всё основано на электромагнитных волнах разных частот.
Квантовая электродинамика
Ричард Фейнман, Юлиан Швингер и Синъитиро Томонага (Нобелевская 1965) создали квантовую электродинамику (КЭД) — квантовую теорию электромагнетизма. КЭД предсказывает магнитный момент электрона с точностью до 12 десятичных знаков — наиболее точно проверенная теория в истории физики. Электромагнитное взаимодействие описывается обменом виртуальными фотонами между заряженными частицами.