Elektromagnetiline vastastikmõju

Elektromagnetiline vastastikmõju ehk elektromagnetiline interaktsioon on üks neljast fundamentaalsest jõust looduses.

Elektromagnetiline vastastikmõju toimib elektriliselt laetud kehade vahel, tekitades elektromagnetilise jõu. Elektromagnetiline jõud hoiab näiteks aatomis elektronid aatomituuma ümber ja selle abil luuakse keemilised sidemed molekulides.

Kuna elektrilaeng võib olla nii positiivne kui negatiivne, siis võib elektromagnetilise vastastikmõju tulemusena tekkinud elektromagnetiline jõud olla nii tõmbejõud (erineva märgiga laengute vahel) kui tõukejõud (samamärgiliste laengute vahel).

Elektromagnetilise vastastikmõju vahendajaks on footon. Kuna footon ei oma seisumassi, siis on elektromagnetilise vastastikmõju ulatus lõpmatu.

Elektromagnetilisel interaktsioonil põhinevad paljud igapäevanähtused, nagu valgus, elekter ja magnetism. Koos vahetusinteraktsiooniga määrab see vastastikmõju aatomite, molekulide ja tahkiste struktuuri ja omadused.

Ajalugu

Elektomagnetilise jõu uurimise lähtepunktiks oli elektrilaengute vahel toimivate jõudude uurimine. Umbes 1785. aastast pärit Coulombi seadus määratleb selle jõu kahe punktlaengu vahel analoogselt gravitatsiooniseadusega. Elektrijõudude mõju kaugematele laengutele kirjeldab elektrivälja mõiste. Seda välja ei põhjusta mitte ainult elektrilaengud, vaid ka magnetvälja muutused ajas. Selle seose avastajaks oli eelkõige Michael Faraday. Kui paigal seisvatel elektrilaengutel pole magnetisminähtustega ilmselt mingit seost, siis liikuv elektrilaeng kutsub esile magnetvälja, nagu Hans Christian Ørsted 1820. aastal katsetega kindlaks tegi. Kui selles väljas liigub teine laeng, kogeb see klassikalise elektrodünaamika seaduste kohaselt magnetjõudu, mis on umbes niisama suur kui elektrijõud, seda eeldusel, et laengu liikumise suhteline kiirus on valguse kiiruse suurusjärgus. Klassikaline elektrodünaamika on esimene näide väljateooriast, mis rahuldab Einsteini relatiivsusprintsiipi. Kui elektrodünaamika oleks invariantne ainult Galilei teisenduste suhtes, siis ei saaks olla induktsiooninähtusi ega levida elektromagnetlained.

Klassikalise elektrodünaamika teooria ulatub tagasi James Clerk Maxwellini, kes 19. sajandil tunnistas temanimelistes võrrandites elektri, magnetismi ja valguse seaduspärasusi ühe fundamentaalse vastastikmõju – elektromagnetismi – eri aspektidena. Elektromagnetilist vastastikmõju, mis ise on elektrilise ja magnetilise vastastikmõju teooria kombineerimise tulemus, kirjeldatakse alates 1967. aastast koos nõrga vastastikmõjuga elektronõrga vastastikmõjuna. Eesmärgiks on ka tugeva vastastikmõju integreerimine ühtsesse väljateooriasse.

Osatähtsus looduses

Elektromagnetiline vastastastikõju avaldub nii makroskoopilisel kui ka mikroskoopilisel tasandil. Tegelikult on enamik klassikalise mehaanika jõude – taastav jõud, hõõrdejõudjõud, pindpinevusjõud jne – oma olemuselt elektromagnetilised.

Elektromagnetiline vastastikmõju määrab enamiku makroskoopiliste kehade füüsikalised omadused ja eelkõige nende omaduste muutumise üleminekul ühest agregaatolekust teise. Elektromagnetilisele vastastikmõjule alluvad keemilised reaktsioonid. samuti on elektri-, magnetismi- ja optikanähtued taandatavad elektromagnetilisele interaktsioonile.

Mikroskoopilisel tasandil määrab elektromagnetiline interaktsioon (arvestades kvantefekte) aatomorbitaalide struktuuri, samuti molekulide ja suuremate molekulaarkomplekside struktuuri. Muuhulgas määrab elementaarlaengu suurus aatomite suuruse ja sidemete pikkuse molekulides. Näiteks Bohri raadius

$a_{0}={\frac {4\pi \varepsilon _{0}\hbar ^{2}}{m_{\mathrm {e} }e^{2}}}$,

kus $\varepsilon _{0}$ on elektriline konstant, $\hbar$ on taandatud Plancki konstant, $m_{\mathrm {e} }$ on elektroni mass ja $e$ on elementaarlaengu mass.

Elektromagnetilise vastastikmõju omadusi

Elektromagnetilisele vastastikmõjule on iseloomulik, et sellel on suur (põhimõtteliselt lõpmatu) ulatus ja samal ajal on negatiivse ja positiivse laengu mõju kaugel asuvale kolmandale laengule praktiliselt olematu. Elektromagnetilise vastastikmõju tugevuse määrab peenstruktuuri konstant. See sidestuskonstant on umbes 100 korda väiksem kui tugeva vastastikmõju puhul, kuid mitu suurusjärku suurem kui nõrga vastastikmõju puhul ja palju suurem kui gravitatsioon.

Elektromagnetilisi ilminguid võib täheldada ka siis, kui läheduses pole elektrilaengut, näiteks elektromagnetlainete puhul või protsessis $\pi ^{0}\to 2\gamma$, s.t piioni $\pi ^{0}$ lagunemisel kaheks gammafootoniks.

Väikseimate osakeste valdkonnas kirjeldab elektromagnetilist interaktsiooni kvantelektrodünaamika. Elektromagnetiliste potentsiaalide all mõistetakse siis väljaoperaatoreid, mille läbi footonid kui elektromagnetiliselt interakteeruvad osakesed tekivad või hävivad. Seega võib ka öelda, et laetud osakeste vastastikmõju, nagu ka impulsi ja energia vahetus, seisneb footonite vahetuses nende osakeste vahel.