ELEKTROMAGNETISMUS

Během devatenáctého století se odehrála ve fyzice revoluce v oblasti poznání elektromagnetismu a souvisejících jevů, čímž byla odstartována mimo jiné i revoluce průmyslová. Teoretický výzkum v této oblasti přinesl během několika málo desetiletí i praktické aplikace – umělé osvětlení, elektromotory a generátory energie, točivé elektromagnetické pole, elektrifikaci zemí, kabelový a záhy i bezdrátový přenos signálu. Jen o století později již mluvíme o osobních počítačích a mobilních telefonech!

Je trestuhodné věnovat tak významné oblasti fyziky (v rámci této knihy) pouze jednu z podkapitol, avšak nelze jinak – prioritu má pro nás jiná oblast fyziky. Nelze však nezmínit alespoň bazální principy elektromagnetismu a ta nejvýznačnější jména:

1.35.1 COULOMBŮV ZÁKON

Tento zákon formuloval roku 1789 francouzský šlechtic a vědec Charles-Augustin de Coulomb. Coulombův zákon kvantifikuje vztah mezi elektrickým nábojem a elektrickou silou:

kkonstanta

qnáboj prvního tělesa

Qnáboj druhého tělesa

rvzdálenost těles

Pozorní čtenáři mohou vidět paralelu tohoto vzorce s Newtonovým zákonem gravitace – místo gravitační konstanty (G) zde vystupuje konstanta jiná (k). Na rozdíl od gravitační konstanty však umíme konstantu v Coulombově zákoně mnohem lépe „rozklíčovat“:

ε0permitivita prostředí – viz Permitivita

1.35.2 MICHAEL FARADAY

Michael Faraday (1791‒1867) byl významný anglický chemik a fyzik. Pro náš svět objevil principy, na jejichž základě pracují dnes všechny elektromotory i elektrogenerátory.

Faraday jako první prokázal, že elektrický proud procházející vodičem vyvolává magnetické pole a naopak – magnetické pole indukuje ve vodiči elektrický proud. Faraday objevil, že elektřina a magnetismus jsou dva různé projevy jediného jevu – elektromagnetismu.

O pár desetiletí později myšlenku zcela exaktně kvantifikoval Faradayův krajan James Maxwell:

1.35.3 JAMES CLERK MAXWELL

James Clerk Maxwell (1831‒1879) byl všestranným anglickým fyzikem. Jeho hlavním dílem je obecná fyzikálně-matematická definice elektromagnetismu – známá jako tzv. Maxwellovy rovnice (1865).

Bližší pochopení Maxwellových rovnic přesahuje rámec a zaměření této knihy.

Zůstává však (pro nás) velmi důležité, že tyto rovnice definovaly pojmy permitivita a permeabilita prostředí.

Z řešení Maxwellových rovnic plyne, že rychlost šíření elektromagnetického vlnění ve vakuu závisí jen na těchto dvou veličinách, a to následujícím vztahem:

Maxwellův objev prokázal, že světlo je pouze jedním (úzkým) spektrem elektromagnetického vlnění – které lidský zrak dokáže vnímat. Kromě světla však existují i vlnění o větších i menších energiích, respektive větších i menších frekvencích.

Z rovnic plyne i fakt, že rychlost šíření takového vlnění není nikterak závislá na rychlosti pohybu zdroje, nýbrž pouze na vlastnostech prostředí (v němž se vlnění šíří) – na permitivitě a permeabilitě prostředí:

1.35.4 PERMITIVITA

Permitivita prostředí je fyzikální veličina popisující, jak moc dané prostředí „umí“ přenášet elektrický náboj, respektive elektrické síly, respektive elektrickou indukci.

Vzhledem k výšeuvedenému je permitivita vakua definována (pomocí rychlosti světla) takto:

1.35.5 PERMEABILITA

Permeabilita prostředí je fyzikální veličina popisující, jak moc dané prostředí „umí“ přenášet elektrický proud, respektive magnetickou sílu, respektive magnetickou indukci.

Vzhledem k výšeuvedenému je permeabilita vakua definována takto:

μ0 = 4π · 10‒7

1.35.6 IMPEDANCE VAKUA

Impedance vakua je fyzikální konstanta vyjadřující poměr intenzit elektrického a magnetického pole.

Impedance vakua Z0 je cca 377 Ω.

1.35.7 PLANCKOVA KONSTANTA

Planckova konstanta (h) byla zavedena Němcem Maxem Planckem (1899), po němž nese tato konstanta i své jméno.

Planckova konstanta vystupuje kromě vyzařovacího zákona černého tělesa např. v důležitých vztazích mezi energií a frekvencí elektromagnetického záření (fotonů) – čím větší frekvence, tím větší energie fotonů:

hPlanckova konstanta h = 6,626·10‒34 (J·s)

ffrekvence záření

λvlnová délka záření

crychlost světla

Planckův zákon objasňuje rozdíl mezi intenzitou světla a energií světla:

Můžeme mít světlo o vysoké intenzitě, ale emitující málo energetické fotony (nízké frekvence = dlouhá vlnová délka) – např. světlo zářivkové.

Anebo můžeme mít „světlo“ o nízké intenzitě, avšak emitující vysoce energetické fotony (vysoká frekvence = malá vlnová délka) – např. RTG záření.

Zatímco první je dlouhodobě zcela bezpečné, druhé bude poškozovat buňky lidského organismu!