Elektromagnetisk växelverkan

Elektromagnetisk växelverkan

En av naturens fyra fundamentala växelverkningar som verkar mellan elektriskt laddade partiklar

Fysikaliskt fenomen, fundamental växelverkan

Under­klass till	• fundamental växelverkan  • elektrosvag växelverkan
Studeras inom	elektromagnetism

Elektromagnetisk växelverkan (även elektromagnetisk kraft) är en av naturens fyra fundamentala växelverkningar och verkar mellan partiklar med elektrisk laddning. Den ger upphov till elektriska och magnetiska krafter samt elektromagnetisk strålning och ligger bakom många av de krafter och processer som märks i vardagen, såsom kemiska bindningar och kontaktkrafter.

Översikt

Den elektromagnetiska växelverkan kan i klassisk fysik beskrivas med elektriska och magnetiska fält, där laddningar kan attrahera eller repellera varandra och där laddningar i rörelse ger upphov till magnetiska effekter.

I modern partikel- och kvantfältteori beskrivs växelverkan som förmedlad av fotoner och är en av byggstenarna i standardmodellen. Fotonens masslöshet är kopplad till att växelverkan har mycket lång räckvidd (i idealiserad form ”oändlig”). Den kvantteoretiska beskrivningen av elektromagnetisk växelverkan ges av kvantelektrodynamik.

Klassisk beskrivning

Coulombkraften

I den klassiska (icke-kvantmekaniska) beskrivningen kan den elektromagnetiska växelverkan mellan stillastående laddningar uttryckas med Coulombs lag, som säger att kraftens storlek är proportionell mot produkten av laddningarna och avtar med kvadraten på avståndet mellan dem (en inverskvadratlag). I fältform uttrycks detta som att en testladdning $q$ påverkas av en kraft $\mathbf {F} =q\mathbf {E}$, där $\mathbf {E}$ är det elektriska fältet från andra laddningar.

Lorentzkraften

För en laddning som rör sig i ett elektriskt och magnetiskt fält ges den klassiska kraftverkan av Lorentzkraften: $\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )$, där $\mathbf {v}$ är laddningens hastighet och $\mathbf {B}$ är det magnetiska flödestäthetsfältet. Den magnetiska delen $q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )$ är vinkelrät mot både rörelseriktningen och magnetfältet och spelar en central roll i många experimentella och tekniska sammanhang, exempelvis Hall-effekten.

Relation till Maxwells ekvationer

Maxwells ekvationer beskriver hur elektriska laddningar och strömmar ger upphov till elektriska och magnetiska fält och hur dessa fält förändras i tid och rum. Tillsammans med Lorentzkraften ger de en sluten klassisk beskrivning: Maxwells ekvationer bestämmer $\mathbf {E}$ och $\mathbf {B}$ från källorna (laddnings- och strömtäthet), och Lorentzkraften anger hur en given laddning påverkas av fälten och därmed hur den rör sig. I gränsfallet där fälten inte varierar med tiden (elektrostatik) leder detta till Coulombs lag och den elektriska fältbeskrivningen, medan magnetostatiska situationer kan beskrivas med motsvarande magnetfältlagar; när fälten varierar i tiden ger Maxwells ekvationer även upphov till elektromagnetiska vågor.

Kvantbeskrivning

I modern fysik beskrivs den elektromagnetiska växelverkan inom ramen för kvantfältteori, där partiklar och deras växelverkan förstås via kvantiserade fält och ”kraftfält” (växelverkningar) som förmedlas av utbytespartiklar. Den kvantteoretiska teorin för elektromagnetisk växelverkan är kvantelektrodynamik (QED), som är en relativistisk kvantfältteori för hur elektriskt laddade partiklar kopplar till det elektromagnetiska fältet och därmed växelverkar med varandra. I QED kan växelverkan mellan laddade partiklar beskrivas som att de emitterar och absorberar fotoner; i kraftverkan mellan laddningar spelar i regel ”virtuella” fotoner en central roll, medan fria (”reella”) fotoner motsvarar elektromagnetisk strålning. I standardmodellen beskrivs den elektromagnetiska växelverkan som förmedlad av fotonen, som är den relevanta växelverkansbärande bosonen.

QED gör det också möjligt att beskriva processer som saknar klassisk motsvarighet. Ett ofta använt exempel är ljus–ljus-växelverkan: trots att fotoner är elektriskt neutrala tillåter standardmodellen att två fotoner påverkar varandra indirekt via virtuella laddade partiklar, vilket kan ge upphov till processer som $\gamma \gamma \rightarrow \gamma \gamma$ (”light-by-light scattering”). Sådana effekter har under senare tid kunnat studeras i högenergi-experiment vid CERNs LHC, där observationer av ljus–ljus-spridning rapporterats som förenliga med QED:s förutsägelser.

Se även

• Elektromagnetism