De elektromagnetische kracht is de kracht die elektrische geladen deeltjes ondergaan door elektromagnetische velden. Het is behalve de zwaartekracht, sterke kernkracht en zwakke kernkracht een van de vier fundamentele natuurkrachten. De elektromagnetische kracht zorgt er bijvoorbeeld voor dat elektronen om de kern van hun atomen draaien. Het deeltje dat de kracht overbrengt, het boson van de kracht is het foton.. Zijn werk zijn leven.
Waarneembaarheid Elektromagnetisme ligt aan de basis van de chemische eigenschappen van materie. Het verschijnsel van de chemische binding wordt vrijwel geheel bepaald door de elektrische aantrekking tussen negatief geladen elektronen en positieve atoomkernen. De aggregatietoestanden van de stof en daarbij de kristalstructuur van vaste stoffen, ontstaan door elektrostatische of meer algemeen elektromagnetische interacties tussen kernen en elektronen. Als de kinetische energie in de atomen laag genoeg is, spelen vanderwaalskrachten en andere interacties een rol in het bij elkaar houden van de atomen in de stof. Zo blijven de atomen, ionen en moleculen beneden een bepaalde temperatuur op hun vaste positie in het kristalrooster.
Veel alledaagse, dat wil zeggen niet-fundamentele krachten, kunnen tot elektromagnetische interacties worden herleid.
Adhesie en cohesie De aantrekking tussen een vloeistof en de wand van het vat ontstaat door waterstofbruggen of door vanderwaalskrachten. Deze gemengde aantrekking wordt adhesie genoemd. Dit is te zien wanneer een vloeistof in een dunne verticale buis opstijgt: capillariteit.
De onderlinge aantrekking tussen moleculen van dezelfde vloeistof wordt verklaard aan de hand van vanderwaalskrachten, dus door elektromagnetisme. Deze aantrekking, cohesie manifesteert zich onder meer in de oppervlaktespanning van een vloeistof.
Macroscopische botsingen Elektrisch neutrale vaste lichamen of afzonderlijke moleculen interageren als hun onderlinge afstand zo klein wordt, dat plaatselijke polariteiten, schommelingen in de totale elektrostatische neutraliteit, een rol beginnen te spelen. Eenvoudig gezegd: moleculen kunnen niet dwars door elkaar heen bewegen, en het meest onmiddellijk zichtbare effect is een kortstondige maar sterke kracht die de moleculen van elkaar wegduwt: een botsing. Botsingen en aanverwante fenomenen zoals dynamische en statische wrijving zijn manifestaties op grote schaal van elektromagnetische effecten op kleine schaal.
Elektromagnetisme De elektrische en magnetische kracht waarmee elektrisch geladen deeltjes en lichamen elkaars beweging beïnvloeden, werken op afstand, onrechtstreeks en vertraagd. Elektromagnetisme is de natuurkunde van het elektromagnetische veld. De werking van de elektromagnetische kracht op afstand wordt door het elektromagnetische veld gemodelleerd.
Klassieke benadering Het elektromagnetische veld bestaat uit twee afzonderlijke vectorvelden: het elektrostatische veld en het magnetische veld . De lorentzkracht is de kracht die een deeltje met lading en snelheid in een punt ondervindt, en is gelijk aan . De natuurkunde van het elektromagnetische veld wordt door de wetten van Maxwell beschreven. De wetten van Maxwell zijn vier tijdsafhankelijke vergelijkingen.
De oplossingen van deze vergelijkingen in de lege ruimte zijn elektromagnetische golven die zich met de lichtsnelheid voortplanten. Dat is geen toeval: het fenomeen licht zelf wordt verklaard als elektromagnetische golven waarvan de frequentie binnen een bepaald interval ligt.
Het zien en de hele wetenschap van de optica vallen dus binnen het grotere domein van het elektromagnetisme.
Grootheden en maten Voor de meting van het elektromagnetische veld en zijn krachtwerking komen verscheidene grootheden in aanmerking, naargelang van de context, het experiment of de technische toepassing waarin die kracht zich manifesteert. Voor de beschrijving van de beweging van een geladen deeltje in een tijdsonafhankelijk elektromagnetisch veld dat geen noemenswaardige invloed ondergaat van het deeltje, kunnen in de formule voor de lorentzkracht de componenten en afzonderlijk bestudeerd worden: men spreekt dan van een elektrostatische en van een magnetostatische kracht.
De meest rechtstreekse uitdrukking van de kracht van een magnetisch veld is de magnetische fluxdichtheid, of synoniem daarmee de magnetische inductie, uitgedrukt in tesla (T). Een elektrische lading van 1 coulomb die met een snelheid van 1 m/s loodrecht op een homogeen statisch magnetisch veld van 1 tesla beweegt, ondervindt door de lorentzkracht een zijwaartse kracht van 1 newton loodrecht op de bewegingsrichting en loodrecht op de richting van het magnetisch veld.
De elektrische veldsterkte van een elektrostatisch veld heeft geen eigen symbool maar wordt uitgedrukt in volt per meter. Een lading van 1 coulomb in een homogeen elektrisch veld van 1 V/m ondervindt een kracht van 1 newton in de richting van het veld.
Aangezien magnetische veldlijnen geen eindpunten hebben (afwezigheid van magnetische monopolen), kan een betekenis worden gegeven aan de totale sterke van het magnetische veld dat doorheen een oppervlak passeert: de magnetische flux, uitgedrukt in weber (Wb). Technisch is het de integraal van de component van het magnetische veld loodrecht op het oppervlak. Daaruit volgt dat de eenheid weber het product is van de tesla met de vierkante meter. In het SI-stelsel is het omgekeerd: de tesla wordt beschouwd als een afgeleide eenheid met als definitie Wb/m2.
Relativiteitstheorie De wetten van Maxwell zijn moeilijk met de klassieke mechanica te verenigen en meer bepaald met het relativiteitsprincipe van Galilei, krachtens hetwelk eenparig bewegende waarnemers dezelfde natuurwetten vaststellen als stilstaande waarnemers. Wetenschappers hebben lang gezocht naar een aanpassing van de wetten van Maxwell, totdat Albert Einstein in zijn speciale relativiteitstheorie uit 1905 de wetten van Maxwell intact liet, en juist het relativiteitsprincipe van Galilei aanpaste. In de speciale relativiteitstheorie zijn elektrostatica en magnetisme twee manifestaties van eenzelfde onderliggend fenomeen, waarvan de componenten correct en eenduidig kunnen getransformeerd worden tussen twee waarnemers. Als gevolg van deze theorie is de lichtsnelheid in vacuüm voor alle waarnemers even groot.
Kwantumtheorie De vroegste stappen in de kwantummechanica zijn gezet toen Max Planck in 1900 voor het eerst een verklaring bood voor de frequentieverdeling van warmtestraling, met de voor die tijd revolutionaire veronderstelling dat elektromagnetische golven niet in continue hoeveelheden kunnen voorkomen, maar alleen in discrete veelvouden van een kleinst mogelijke golf. De energie van die kleinst mogelijke golf, een kwantum, is evenredig met de frequentie ervan. De evenredigheidsfactor is de constante van Planck.
De volledige theorie van gekwantiseerde elektromagnetische velden, de kwantumelektrodynamica, is pas na 1945 ontwikkeld. Ze stond vervolgens model voor andere kwantumveldentheorieën die samen het standaardmodel van de deeltjesfysica zouden vormen. In dat standaardmodel worden elektromagnetische golven geïdentificeerd met fotonen, elektrisch neutrale deeltjes zonder rustmassa en die gelijk zijn aan hun eigen antideeltje. Geladen deeltjes interageren door het uitzenden, verstrooien (botsen met) en absorberen van fotonen, waarbij de zender een deel van zijn kinetische energie overdraagt aan het foton. Een warm voorwerp straalt fotonen uit (emissie) door de versnelling van zijn elektronen die, nadat ze door thermische botsingen in een aangeslagen toestand zijn gebracht, terugvallen naar de grondtoestand. Fotonenparen kunnen ook spontaan gecreëerd worden uit een hoge concentratie van energie, bijvoorbeeld door de annihilatie van een (ander) elementair deeltje met zijn antideeltje. De ioniserende straling die bij radioactiviteit vrijkomt, bestaat naast deeltjes met rustmassa ook uit fotonen in de vorm van gammastraling.
Natuurverschijnselen Enkele verschijnselen in de astronomie worden rechtstreeks veroorzaakt door de kracht van een magnetisch veld op snel bewegende elektrisch geladen deeltjes.
Poollicht De aardkern bestaat voor een groot deel uit de magnetische materialen nikkel en ijzer en genereert een magnetisch veld waarvan de effecten tot ver buiten de atmosfeer kunnen worden waargenomen. Het poollicht is daar een duidelijk voorbeeld van. De geladen deeltjes van de zonnewind worden ingevangen in de aardmagnetische veldlijnen en dringen in de buurt van de noord- en zuidpool de hoge atmosfeer binnen, waar een deel van hun bewegingsenergie door ionisatie van luchtmoleculen wordt omgezet in licht.
Synchrotronstraling Bepaalde hemellichamen, met name sommige quasars en sommige pulsars, zenden licht uit waarvan de frequentieverdeling (kleur) niet kan worden verklaard door thermische straling zoals bij sterren. Men neemt aan dat het hier gaat om synchrotronstraling, dat is elektromagnetische straling die weglekt wanneer zeer snelle elektronen spiraliseren in een magneetveld.
Rechtstreekse toepassingen Krachten van elektromagnetische oorsprong zijn alomtegenwoordig; we beperken ons in deze paragraaf dan ook tot enkele rechtstreekse toepassingen van het afbuigen van een bundel geladen deeltjes door een elektromagnetisch veld.
Kathodestraalbuis Voor de algemene invoering van ledtelevisie was de beeldbuis, of kathodestraalbuis de meest gebruikte technologie voor beeldschermen. Ze bestaat uit een vacuümbuis waarin een bundel elektronen wordt afgevuurd op een positief geladen glazen plaat met aan de binnenkant een fosforescerende laag, die oplicht wanneer er elektronen op vallen. De richting van de elektronenbundel wordt bestuurd door een snel wisselend magnetisch veld.
Massaspectrometrie Met een massaspectrograaf kan een scheikundige ionen van verschillende lading en massa scheiden. De ionenbundel wordt afgebogen door een magnetisch veld, en de afbuiging is omgekeerd evenredig met de massa van elk ion.
Deeltjesversneller In een deeltjesversneller worden geladen deeltjes in een steeds snellere cirkelvormige beweging rondgeslingerd. De verhoging van de snelheid gebeurt door middel van nauwkeurig gestuurde elektrostatische velden en de cirkelvormige beweging wordt verzekerd door de Lorentzkracht van een homogeen magnetisch veld.
Categorie:Elektromagnetisme Categorie:Fundamentele natuurkracht