Studiul Fenomenelor Electromagnetice

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1. Consideraţii generale asupra studiului fenomenelor electromagnetice

Fenomenele electromagnetice reprezintă o categorie a fenomenelor fizice, diferită de cele mecanice, acustice, termice, etc. Studiate la scară macroscopică, fenomenele electromagnetice sunt legate de anumite stări specifice corpurilor cum ar fi: starea de electrizare, starea electrocinetică, starea magnetică şi de asemenea sunt legate de prezenţa câmpului electromagnetic. Fenomenele electromagnetice nu pot fi percepute direct prin simţurile umane, decât prin intermediul efectelor pe care le produc: efecte luminoase, termice, etc.

Dorind să definim câmpul electromagnetic, el reprezintă o formă de existenţă a materiei, diferită însă de substanţă, prin care se transmit forţele şi cuplurile de natură electrică şi/sau magnetică.

La momentul prezent, se cunosc deja o gamă largă şi variată de fenomene electromagnetice, numărul lor crescând continuu odată cu dezvoltarea mijloacelor teoretice şi experimentale de investigare a fenomenelor fizice.

Se poate aprecia că, pe bună dreptate, pe măsură ce se dezvoltă cunoştinţele noastre despre fenomene fizice, natura ni se înfăţişează ca fiind de o bogăţie fără limite în diversele ei manifestări.

2. Teoriile fenomenelor electromagnetice

După scara la care sunt considerate fenomenele, inclusiv cele electromagnetice, se disting: teorii macroscopice şi teorii microscopice.

Teoria macroscopică a fenomenelor electromagnetice a fost iniţiata de M. Faraday şi continuată de J.C. Maxwell şi H. Hertz. În cadrul ei, se face abstracţie de structura discontinuă a corpurilor şi a sarcinii electrice, corpurile fiind considerate prin aproximaţie ca fiind medii continue. Ea se bazează pe concepţia acţiunii din aproape în aproape ( prin contiguitate). Rolul primordial în cadrul acestei teorii îi revine câmpului electromagnetic, care stă la baza transmiterii prin contiguitate, cu viteză foarte mare, dar finită, a interacţiunilor şi stărilor electromagnetice. Câmpurile electrice şi magnetice reprezintă cele două laturi componente ale câmpului electromagnetic.

Teoria macroscopică relativistă a fenomenelor electromagnetice reprezintă o formulare mai generală a legilor fenomenelor electromagnetice, astfel încât ele să fie valabile şi la viteze foarte mari ale corpurilor, în acord cu teoria relativităţii restrânse elaborată de A. Einstein. Mărimile de stare ale câmpului electromagnetic devin relative, depinzând de starea de referinţă faţă de care au fost definite.

Efectele de relativitate sunt desigur neglijabile în experienţa obişnuită, la scară macroscopică. Particulele elementare pot atinge însă, la anumite dispozitive, viteze suficient de mari, pentru ca aceste efecte să fie sesizabile, dacă li se transmit energii ridicate.

De exemplu, la dimensionare ciclotroanelor, se ţine seama de variaţiei masei particulelor cu viteza.

Din punctul de vedere al teoriei macroscopice, se disting următoarele regimuri de desfăşurare a fenomenelor electromagnetice:

- regimul static – mărimile nu variază în timp şi nu există fluxuri termodinamie ( flux de căldură, de masă, etc). În acest regim, fenomenele electrice se produc independent de cele magnetice şi cele două laturi ale câmpului electromagnetic se pot studia separat.

- regimul staţionar – mărimile nu variază în timp, însă există fluxuri termodinamice, în particular, interacţiunile câmpului cu corpurile determina transformări energetice.

- regimul nestaţionar sau variabil – corespunzător celui mai general caz de variaţie a mărimilor.

Teoria microscopică a fenomenelor electromagnetice a fost iniţiată de A.H. Lorentz şi se numea teoria electronilor.

Spre deosebire de teoria macroscopică, teoria electronilor poate explica un număr mai mare de fenomene electromagnetice. Astfel, pe baza ei se pot interpreta microscopic unele proprietăţi electrice şi magnetice, care principial nu puteau fi explicate de teoria macroscopică. În cadrul acestei teorii, mărimile macroscopice apar ca valori medii ale mărimilor microscopice. Legile de material ale teoriei macroscopice pot fi deduse din legile teoriei microscopice.

Studiul fenomenelor electromagnetice la scară microscopică a cunoscut o dezvoltare spectaculoasă cu teoria cuantelor ( apariţia cuantei de acţiune exprimată prin constanta lui Planck), elaborându-se teoria cuantică a atomului. Aceasta atribuie electronului pe lângă masă şi sarcina electrică elementară şi un moment cinetic ( spin) şi un moment magnetic de spin. Acestea au condus la rezolvarea unor probleme importante din studiul dispozitivelor semiconductoare, etc.

3. Fenomene de electrizare

Din punct de vedere macroscopic, starea de electrizare a corpurilor, acea stare a lor în care ele sunt capabile să exercite acţiuni ponderomotoare de natură electrică asupra altor corpuri.

Microscopic, starea de electrizare se explică printr-un surplus sau un minus de electroni. Modalităţi de obţinere a stării de electrizare prin: frecare, contact cu corpurile electrizate, influenţa electrostatică, iradiere cu radiaţii Roentgen sau ultraviolete, deformare (efect piezoelectric), încălzire (efect piroelectric), efecte chimice, efecte fotoelectrice, etc.