Inom fysiken är den elektromagnetiska kraften en påverkan som påverkar elektriskt laddade partiklar. Tillsammans med gravitationen är det den kraft som människor möter mest i vardagen, och den förklarar de flesta fenomen som människor känner till. Den är ansvarig för elektricitet, magnetism och ljus; det håller ihop elektroner och protoner i atomer; och det tillåter atomer att binda samman för att bilda molekyler och driver kemiska reaktioner. Denna kraft är också ansvarig för soliditeten hos fasta föremål och är anledningen till att de inte kan passera genom varandra.
Den elektromagnetiska kraften är en av naturens fyra grundläggande krafter. De andra tre är gravitationskraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. Den starka kärnkraften är den starkaste av dessa, men den verkar bara över en extremt kort räckvidd. Den elektromagnetiska kraften är den näst starkaste och verkar liksom gravitationen över obegränsade avstånd.
Den omvända kvadratlagen
Liksom gravitationen följer den elektromagnetiska kraften den omvända kvadratlagen. Detta betyder att kraftens styrka är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet från dess källa. Så, till exempel, om någon flyttar 5 enheter bort från kraftkällan, reduceras intensiteten till 1/25.
Positiva och negativa avgifter
Till skillnad från gravitationen känns den elektromagnetiska kraften endast av föremål som har en elektrisk laddning, som kan vara positiv eller negativ. Föremål med olika typer av laddningar attraherar varandra, men de med samma typ stöter bort. Detta innebär att kraften kan vara attraktiv eller frånstötande, beroende på de inblandade laddningarna. Eftersom de flesta föremål, för det mesta, inte har en övergripande elektrisk laddning, känner de inte den elektromagnetiska kraften, vilket förklarar varför gravitationen, även om den är mycket svagare, dominerar på stora skalor.
När två olika material gnuggar ihop kan elektroner röra sig från det ena till det andra, vilket lämnar den ena med en positiv laddning och den andra med en negativ laddning. De två kommer då att attrahera varandra och kan attraheras av elektriskt neutrala föremål. Detta är känt som statisk elektricitet och kan demonstreras genom olika enkla experiment, som att gnugga en ballong med en pälsbit och fästa den på en vägg – den hålls där av elektrostatisk attraktion.
En elektrisk ström flyter när elektroner rör sig längs en tråd eller annan ledare från ett område med ett överskott av elektroner till ett område där det finns ett underskott. Strömmen sägs gå från negativ till positiv. I en enkel krets som använder ett batteri flödar elektroner från den positiva till den negativa polen när kretsen är klar.
På atomär skala håller attraktionen mellan positivt laddade protoner i kärnan och negativt laddade elektroner utanför atomer samman och tillåter dem att binda med varandra för att bilda molekyler och föreningar. Protonerna i kärnan hålls på plats av den starka kärnkraften, som i denna extremt lilla skala övervinner den elektromagnetiska repulsionen.
Elektromagnetiska fält
Begreppet elektromagnetiska fält utvecklades först av vetenskapsmannen Michael Faraday i början av 19-talet. Han visade att elektriskt laddade och magnetiserade föremål kunde påverka varandra på avstånd. Till exempel kan en elektrisk ström som flyter genom en trådspole avleda en kompassnål och inducera en ström i en annan, närliggande spole. Han visade också att ett förändrat magnetfält kunde producera en elektrisk ström i en tråd. Detta etablerade ett samband mellan elektricitet och magnetism och förekomsten av ett fält som varierar med avståndet kring elektriskt laddade eller magnetiska föremål.
Senare på 19-talet producerade fysikern James Clerk Maxwell en serie ekvationer som inte bara förklarade sambandet mellan elektricitet och magnetism, utan också visade att ljus var en vågliknande störning av det elektromagnetiska fältet. Han kom till denna slutsats när han beräknade hastigheten med vilken elektromagnetiska influenser färdas och fann att detta alltid var ljusets hastighet. Innebörden var att ljus var en form av elektromagnetisk strålning som färdades som vågor. Detta ledde till teorin om klassisk elektrodynamik, där en elektromagnetisk våg genereras av en rörlig elektrisk laddning. Rörelsen av en trådspole i ett magnetfält kan generera lågenergiradiovågor, medan den mer energiska rörelsen av elektroner i en het tråd kan generera synligt ljus.
Kvantelektrodynamik
Med Einsteins undersökning av den fotoelektriska effekten, där ljus kan avlägsna elektroner från en metallyta, kom upptäckten att elektromagnetisk strålning (EMR) kan uppträda som partiklar såväl som vågor. Dessa partiklar kallas fotoner. Elektroner i en atom kan få energi genom att absorbera en foton och förlora energi genom att sända ut en. På detta sätt kan EMR förklaras som emission av fotoner när elektroner upplever ett fall i energinivåer.
Enligt kvantteorin kan alla fyra naturkrafterna förklaras i termer av utbyte av partiklar, som foton i fallet med den elektromagnetiska kraften. För att förklara denna kraft på ett sätt som överensstämde med kvantteorin utvecklades teorin om kvantelektrodynamik. Tanken är att den elektromagnetiska kraften förmedlas av ”virtuella” fotoner som endast existerar flyktigt under interaktioner mellan laddade partiklar. Den förklarar alla elektromagnetiska interaktioner och rigorösa tester har visat att det är en mycket exakt teori.