U fizici, elektromagnetska sila je utjecaj koji utječe na električno nabijene čestice. Uz gravitaciju, to je sila s kojom se ljudi najčešće susreću u svakodnevnom životu, a ona objašnjava većinu fenomena s kojima su ljudi upoznati. Odgovoran je za elektricitet, magnetizam i svjetlost; drži elektrone i protone zajedno u atomima; i omogućuje atomima da se vežu kako bi formirali molekule i pokreće kemijske reakcije. Ova sila je također odgovorna za čvrstoću čvrstih predmeta i razlog je zašto ne mogu proći jedno kroz drugo.
Elektromagnetska sila je jedna od četiri temeljne sile prirode. Ostale tri su gravitacijska sila, jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila. Jaka nuklearna sila je najjača od njih, ali djeluje samo na iznimno kratkom dometu. Elektromagnetska sila je druga po snazi i, poput gravitacije, djeluje na neograničene udaljenosti.
Zakon obrnutog kvadrata
Poput gravitacije, elektromagnetska sila slijedi zakon obrnutog kvadrata. To znači da je snaga sile obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti od njenog izvora. Tako, na primjer, ako se netko odmakne 5 jedinica od izvora sile, intenzitet se smanjuje na 1/25.
Pozitivni i negativni naboji
Za razliku od gravitacije, elektromagnetsku silu osjećaju samo objekti koji imaju električni naboj, koji može biti pozitivan ili negativan. Objekti s različitim vrstama naboja međusobno se privlače, ali se oni istog tipa odbijaju. To znači da sila može biti privlačna ili odbojna, ovisno o uključenim nabojima. Budući da većina objekata, većinu vremena, nema ukupni električni naboj, oni ne osjećaju elektromagnetsku silu, što objašnjava zašto gravitacija, iako mnogo slabija sila, dominira u velikim razmjerima.
Kada se dva različita materijala trljaju zajedno, elektroni se mogu kretati s jednog na drugi, ostavljajući jedan s pozitivnim, a drugi s negativnim nabojem. Njih dvoje će tada privući jedno drugo i mogu biti privučeni električno neutralnim objektima. To je poznato kao statički elektricitet i može se dokazati raznim jednostavnim eksperimentima, kao što je trljanje balona komadom krzna i lijepljenje na zid – ondje se drži elektrostatičkom privlačnošću.
Električna struja teče kada se elektroni kreću duž žice ili drugog vodiča iz područja s viškom elektrona u područje gdje postoji manjak. Kaže se da struja teče iz negativnog u pozitivno. U jednostavnom krugu koji koristi bateriju, elektroni teku s pozitivnog na negativni terminal kada je krug završen.
Na atomskoj skali, privlačnost između pozitivno nabijenih protona u jezgri i negativno nabijenih elektrona izvana drži atome zajedno i omogućuje im da se međusobno vežu kako bi tvorili molekule i spojeve. Protone u jezgri drži na mjestu snažna nuklearna sila, koja, u ovoj iznimno maloj skali, nadvladava elektromagnetsko odbijanje.
Elektromagnetska polja
Koncept elektromagnetskih polja prvi je razvio znanstvenik Michael Faraday početkom 19. stoljeća. Pokazao je da električno nabijeni i magnetizirani objekti mogu utjecati jedni na druge na daljinu. Na primjer, električna struja koja teče kroz svitak žice mogla bi skrenuti iglu kompasa i inducirati struju u drugoj, obližnjoj zavojnici. Također je pokazao da promjenjivo magnetsko polje može proizvesti električnu struju u žici. Time je uspostavljena veza između elektriciteta i magnetizma te postojanja polja koje varira s udaljenosti koja okružuje električno nabijene ili magnetske objekte.
Kasnije u 19. stoljeću, fizičar James Clerk Maxwell proizveo je niz jednadžbi koje su objasnile ne samo odnos između elektriciteta i magnetizma, već su također pokazale da je svjetlost talasni poremećaj elektromagnetskog polja. Do tog je zaključka došao kada je izračunao brzinu kojom putuju elektromagnetski utjecaji i otkrio da je to uvijek bila brzina svjetlosti. Implikacija je bila da je svjetlost oblik elektromagnetskog zračenja koje putuje kao valovi. To je dovelo do teorije klasične elektrodinamike, u kojoj se elektromagnetski val generira pokretnim električnim nabojem. Kretanje svitka žice u magnetskom polju može generirati radio valove niske energije, dok energičnije kretanje elektrona u vrućoj žici može generirati vidljivo svjetlo.
Kvantna elektrodinamika
S Einsteinovim istraživanjem fotoelektričnog efekta, u kojem svjetlost može izbaciti elektrone s metalne površine, došlo je do otkrića da se elektromagnetsko zračenje (EMR) može ponašati kao čestice, kao i valovi. Te se čestice nazivaju fotoni. Elektroni u atomu mogu dobiti energiju apsorbirajući foton i izgubiti energiju emitirajući ga. Na taj se način EMR može objasniti kao emisija fotona kada elektroni dožive pad razine energije.
Prema kvantnoj teoriji, sve četiri sile prirode mogu se objasniti razmjenom čestica, poput fotografija u slučaju elektromagnetske sile. Kako bi se ova sila objasnila na način koji je u skladu s kvantnom teorijom, razvijena je teorija kvantne elektrodinamike. Ideja je da je elektromagnetska sila posredovana “virtualnim” fotonima koji postoje samo prolazno tijekom interakcije između nabijenih čestica. Objašnjava sve elektromagnetske interakcije, a rigorozno testiranje je pokazalo da je to vrlo točna teorija.