ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของแฮทซ์

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน เป็นแรงที่กระทำระหว่างโมเลกุลต่อโมเลกุลในสสาร อิเล็คตรอนถูกดึงดูดอยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมด้วยกลไกของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมหลายอะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็คตรอนของอะตอมหลายอะตอมที่อยู่ใกล้กัน มีผลทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอนเหล่านั้น

มีสูตรทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายความหมายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในสาขาดั้งเดิมของ อิเล็คโทรไดนามิคส์ สนามไฟฟ้าถูกอธิบายว่าเป็นศักย์ทางไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าด้วยกฎของโอห์ม, สนามแม่เหล็กถูกนำไปรวมกับการเหนี่ยวนำของแม่เหล็กไฟฟ้าและสถาวะแม่เหล็ก และ สมการของแมกซ์เวลล์อธิบายถึงการที่ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างมาได้อย่างไร ถูกเปลี่ยนแปลงโดยกันและกันได้อย่างไรและเกิดขึ้นหรือเปลี่ยนแปลงโดยการประจุและกระแสได้อย่างไร

เนื้อหา

ประวัติศาสตร์ของทฤษฏี

แต่เดิม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกคิดว่าเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ความคิดนี้เปลี่ยนไป เมื่อหนังสือของ เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ พิมพ์ขึ้นในปี ค.ศ.1873 บ่งว่า ปฏิสัมพันธ์ของประจุบวกและประจุลบถูกควบคุมโดยแรงเดียว ผลของการปฏิสัมพันธ์ทำให้เกิดผลกระทบสี่เรืองหลักๆ ผลกระทบเหล่านี้สามารถสาธิตให้ดูได้จากการทดลอง ดังนี้

ประจุไฟฟ้าดูดหรือผลักกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางกำลังสองระหว่างประจุนั้น ประจุต่างกันดูดกัน ประจุเหมือนกันผลักกัน

ขั้วแม่เหล็ก(หรือสภาวะการวางตัวที่จุดใดๆ) ดูดและผลักกันในทำนองเดียวกัน และ ขั้วแม่เหล็กมาเป็นคู่ คือขั้วเหนือและขั้วใต้

ไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดสร้างสนามแม่เหล็กเป็นวงกลมรอบเส้นลวดนั้น ทิศทางของสนามแม่เหล็ก(ตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกา)ขึ้นอยู่กับกระแส

กระแสจะถูกเหนี่ยวนำในขดลวด เมื่อขดลวดเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากสนามแม่เหล็ก หรือแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากขดลวด ทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่

 ฮันส์ คริสเตียน ออร์สเตด

ในขณะที่กำลังเตรียมเพื่อการสอนในตอนเย็นของวันที่ 21 เมษายน ค.ศ.1820 ฮันส์ คริสเตียน ออร์สเตด ได้สังเกตเห็นสิ่งน่าแปลกใจบางอย่าง เขาสังเกตเห็นเข็มทิศขยับออกจากทิศเหนือเมื่อกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ที่เขาใช้อยู่ถูกปิดหรือเปิด การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เขามั่นใจว่าสนามแม่เหล็กถูกแผ่ออกมาจากทุกด้านของลวดที่มีกระแสไหลผ่าน เหมือนกับที่แสงและความร้อนแผ่รังสีออกมา และเป็นการยืนยันความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและอำนาจแม่เหล็ก

อังเดร-มาเรีย แอมแปร์

ในตอนนั้น ออร์สเตด ไม่ได้ให้คำอธิบายของปรากฏการณ์อันนั้นให้เป็นที่น่าพอใจได้ และก็ไม่ได้พยายามที่จะนำเสนอปรากฏการณ์ในรูปแบบของคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม อีก 3 เดือนต่อมา เขาก็เริ่มค้นคว้าหาสาเหตุอย่างจริงจัง ไม่นานเขาก็พิมพ์สิ่งที่เขาค้นพบ พิสูจน์ว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อมีกระแสไหลผ่านเส้นลวด คำว่า ออร์สเตด จึงเป็นหน่วยวัดการเหนี่ยวนำของแม่เหล็ก ถูกตั้งให้เป็นเกียรติแก่เขาในฐานะมีคุณูปการต่อวิชาการด้านทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

ไมเคิล ฟาราเดย์

การค้นพบของออร์สเตดมีผลทำให้มีการค้นคว้าในกลุ่มนักวิทยาศาสตร์กันอย่างมากมายในเรื่อง อิเล็คโทรไดนามิคส์ (หรือพลศาสตร์ไฟฟ้า หรือ การปฏิสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก) สาขานี้ มีอิทธิพลต่อนักฟิสิกซ์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อังเดร-มาเรีย แอมแปร์ ที่พัฒนารูปแบบทางคณิตศาสตร์แบบเดียวเพื่อแสดงอำนาจแม่เหล็กระหว่างตัวนำหลายตัวที่มีกระแสไหลผ่าน การค้นพบของออร์สเตดยังเป็นก้าวสำคัญในการทำให้กรอบความคิดเกี่ยวกับพลังงานเป็นหนึ่งเดียว

เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์

การเป็นหนึ่งเดียว ทำให้ไมเคิล ฟาราเดย์ นำไปใช้, ขยายเพิ่มเติมโดย เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ และสร้างสูตรบางส่วนขึ้นมาโดย โอลิเวอร์ เฮฟวีไซด์ และ ไฮน์ริช เฮิทส์ เป็นความสำเร็จอย่างสำคัญสำหรับฟิสิกซ์คณิตศาสตร์ในศตวรรษที่ 19 ผลที่ตามมาไปไกลมาก หนึ่งในนั้นก็คือความเข้าใจในธรรมชาติของแสง ไม่เหมือนกับสิ่งที่นำเสนอในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า แสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ ในปัจจุบันถูกมองว่าอยู่ในรูปของปริมาณที่แน่นอน เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีออกไปด้วยตัวเองในรูปคลื่นแกว่งไปมาซึ่งถูกเรียกว่าโฟตอน ความถี่ในการแกว่งที่ต่างกันทำให้รูปแบบการแผ่อำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบที่แตกต่างกัน จากคลื่นวิทยุความถี่ต่ำสุด ไปจนถึงความถี่ขนาดกลางเป็นแสงที่มองเห็นได้ และความถี่สูงสุดเป็นรังสีแกรมมา

ออร์สเตดไม่ใช่คนเดียวที่ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็ก ในปี ค.ศ.1802 เกียน โดมีนิโค โรแมคนอสิ นักวิชาการกฎหมายชาวอิตาลี ขยับเข็มแม่เหล็กด้วยประจุไฟฟ้าสถิต สิ่งที่เกิดขึ้นจริง ไม่มีกระแสไหลในการจัดทำจึงไม่มีอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น การค้นพบถูกตีพิมพ์ในหนังสือพิมพ์อิตาลี แต่ถูกมองข้ามไปโดยชุมชนนักวิทยาศาสตร์สมัยนั้น

สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก

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

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกวาดเป็นมโนภาพให้เป็นคลื่นไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แกว่งกระจายออกจากแหล่งกำเนิดได้เอง สนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้ง สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวนอน