電磁気

物理学において、電磁気とは、電荷を持つ粒子の間で電磁場を介して生じる相互作用のことです。電磁力は自然界の4 つの基本的な力の 1 つです。原子と分子の相互作用において支配的な力です。電磁気は、静電気と磁気の組み合わせと考えることができます。これらは別個ではあるものの、密接に絡み合った現象です。電磁力は、任意の 2 つの荷電粒子間に生じます。電気の力は、反対の電荷を持つ粒子間に引力を引き起こし、同じ電荷を持つ粒子間に反発力を引き起こしますが、磁気は、相対運動する荷電粒子間に生じる相互作用です。これら 2 つの力は、電磁場という観点から説明されます。巨視的な荷電物体は、電気についてはクーロンの法則、磁気についてはアンペールの力の法則によって説明され、微視的な荷電粒子についてはローレンツ力によって説明されます。

日常生活で見られる多くの化学的・物理的現象は、電磁力によって生じています。原子核と電子の間の静電引力によって原子が結合しています。電気力によって異なる原子が分子に結合することも可能になり、その中には生命の基礎を形成するタンパク質などの高分子も含まれます。一方、電子のスピンと角運動量磁気モーメント間の磁気相互作用も化学反応性に関与しており、このような関係はスピン化学で研究されています。電磁気学は、電気エネルギーの生成、変換、分配、光、熱、音の生成と検出、光ファイバーと無線通信、センサー、計算、電気分解、電気メッキ、機械モーターとアクチュエーターなど、現代のテクノロジーにおいても重要な役割を果たしています。

電磁気学は古代から研究されてきました。ギリシャ人やマヤ人を含む多くの古代文明は、雷、静電気、磁化された鉄鉱石間の引力について説明するために、幅広い理論を生み出しました。しかし、科学者が電磁相互作用の性質を理解するための数学的基礎を築き始めたのは、18 世紀後半になってからでした。18 世紀と 19 世紀には、クーロン、ガウス、ファラデーなどの著名な科学者や数学者が、電磁場の形成と相互作用を説明するのに役立つ同名の法則を開発しました。このプロセスは、1860 年代にマクスウェル方程式の発見で最高潮に達しました。マクスウェル方程式は、古典的な電磁場を完全に記述する 4 つの偏微分方程式のセットです。マクスウェル方程式は、科学者が何世紀にもわたって研究してきた電気と磁気の関係に確かな数学的基礎を与え、自立した電磁波の存在を予測しました。マクスウェルは、そのような波が可視光線を構成すると仮定しましたが、これは後に真実であることが証明されました。ガンマ線、X 線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波はすべて、周波数の範囲のみが異なる電磁放射線であると判定されました。

現代では、科学者は量子力学や相対性理論などの現代物理学の影響を説明するために電磁気学の理論を改良し続けています。電磁気学の理論的意味合い、特に、さまざまな移動する参照フレームから見たときに観測結果が一貫している必要があるという要件 (相対論的電磁気学) と、伝播媒体の特性 (透磁率と誘電率)に基づく光速度の確立は、 1905 年にアインシュタインが特殊相対性理論を考案するきっかけとなりました。量子電気力学(QED) は、マクスウェル方程式を物質の量子化された性質と一致するように修正します。QED では、電磁場の変化は、光子と呼ばれる粒子である光の 量子である離散励起によって表現されます。

電磁気現象の研究は約5,000年前に始まりました。古代中国^[1] 、マヤ^[2]、^[3]、そしておそらくエジプトの文明でさえ、天然の磁性鉱物である磁鉄鉱が吸引力を持つことを知っていて、多くの人がそれを芸術や建築に取り入れていたという証拠があります。^{[4]古代人は}雷や静電気についても知っていましたが、これらの現象の背後にあるメカニズムは知りませんでした。ギリシャの哲学者ミレトスのタレスは紀元前600年頃に、琥珀を布でこすると電荷を帯び、藁などの軽い物体を拾うことができることを発見しました。タレスはまた、磁性を持つ岩石が互いに引き合う能力を実験し、この現象が琥珀の吸引力と関係している可能性があるという仮説を立て、2,000年以上後に発見される電気と磁気の深いつながりを予見しました。こうした調査にもかかわらず、古代文明は電磁気学の数学的基礎を理解しておらず、その影響を科学ではなく宗教の観点から分析することが多かった（例えば、雷は多くの文化において神の創造物と考えられていた）。^[5]

電気と磁気はもともと2つの別々の力であると考えられていました。この見解は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの1873年の「電気と磁気に関する論文」 ^[6]の出版によって変わり、正電荷と負電荷の相互作用は1つの力によって媒介されることが示されました。これらの相互作用から生じる主な効果は4つあり、すべて実験によって明確に実証されています。

1. 電気料金引き付けるか電荷同士は距離の2乗に反比例する力で反発し合います^{。つまり、反対の電荷は引き合い、同じ電荷は反発し合います。 [7]}
2. 磁極（または個々の点における分極状態）は、正電荷と負電荷と同様に互いに引き付けたり反発したりし、常に対になって存在します。つまり、すべての北極は南極と結合しています。^[8]
3. 電線内の電流は、電線の外側に対応する円周方向の磁場を生成します。その方向（時計回りまたは反時計回り）は、電線内の電流の方向によって決まります。^[9]
4. ループ状の電線を磁場に向かって動かしたり、磁場から遠ざけたりすると、あるいは磁石を磁場に向かって動かしたり、磁場から遠ざけたりすると、ループ状の電線に電流が誘導されます。電流の方向は動きの方向によって決まります。^[9]

1820年4月、ハンス・クリスチャン・エルステッドは、電線に流れる電流が近くの方位磁針を動かすことを観察した。発見当時、エルステッドはこの現象について満足のいく説明を提示せず、またこの現象を数学的な枠組みで表現しようともしなかった。しかし、3か月後、彼はより徹底的な調査を開始した。^{[10] [11]}その後すぐに、彼は電流が電線を流れる際に磁場を生成することを証明する研究結果を発表した。磁気誘導のCGS単位（エルステッド）は、彼の電磁気学分野への貢献を称えて名付けられた。^[12]

彼の発見は、電気力学の科学界全体での徹底的な研究につながりました。その研究は、フランスの物理学者アンドレ＝マリー・アンペールが電流を流す導体間の磁力を表す単一の数学的形式を開発する上で影響を与えました。エルステッドの発見は、エネルギーの統一概念への大きな一歩でもありました。

マイケル・ファラデーによって観察され、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって拡張され、オリバー・ヘヴィサイドとハインリヒ・ヘルツによって部分的に再定式化されたこの統一は、19世紀の数理物理学の重要な成果の1つです。^[13]それは広範囲にわたる結果をもたらしましたが、その1つは光の性質の理解でした。当時の電磁気学理論によって提案されたものとは異なり、光やその他の電磁波は現在、光子と呼ばれる量子化された自己伝播振動電磁場擾乱の形をとると考えられています。振動の異なる周波数は、最低周波数の電波から中間周波数の可視光、最高周波数のガンマ線まで、さまざまな形式の電磁放射を生み出します。

電気と磁気の関係を研究したのはエルステッドだけではない。1802年、イタリアの法学者ジャン・ドメニコ・ロマグノシは、ボルタ電池を使って磁針を偏向させた。実験の実際の設定は完全には明らかではなく、電流が針を横切って流れたかどうかも不明である。この発見に関する記述は1802年にイタリアの新聞に掲載されたが、当時の科学界ではほとんど無視された。なぜならロマグノシは科学界に属していなかったと思われるからである。^[14]

電気と磁気の関係については、以前（1735年）にクックソン博士によって報告されましたが、これはしばしば無視されてきました。^[15]その報告には次のように記されています。

ヨークシャーのウェイクフィールドの商人が、大量のナイフとフォークを大きな箱に入れて...広い部屋の隅に箱を置くと、突然雷鳴や稲妻などが起こりました...店主が釘が置いてあるカウンターの上に箱の中身を空けたとき、釘の上に置かれたナイフを手に取った人たちは、ナイフが釘をくい込んでいることに気づきました。これをすべてのナイフで試したところ、同じことが起こり、大きな釘、梱包用の針、その他かなり重い鉄製品もくい込んでいることがわかりました...

ETウィテカーは1910年に、この特定の出来事が雷が「鋼鉄を磁化する力を持つと信じられるようになった原因であり、これが1751年にフランクリンがライデン瓶の放電を利用して縫い針を磁化しようと試みたきっかけであったことは間違いない」と示唆した。^[16]

電磁力は、4つの既知の基本的な力の中で2番目に強く、範囲は無制限です。^[17] その他のすべての力は非基本力として知られています。^[18]（例：摩擦力、接触力）は、4つの基本的な力から派生しています。高エネルギーでは、弱い力と電磁力は、電弱相互作用と呼ばれる単一の相互作用として統合されます。^[19]

原子間の相互作用に関与する力のほとんどは、電荷を帯びた原子核と電子の間の電磁力によって説明されます。電磁力は、あらゆる形態の化学現象にも関与しています。

電磁気学は、物質が個々の粒子と空間で構成されているにもかかわらず、どのように運動量を伝えるかを説明します。私たちが通常の物質を「押す」または「引っ張る」ときに感じる力は、私たちの体と物質内の 個々の分子間の分子間力によって生じます。

電子の運動の運動量によって生成される有効な力は、原子間および分子間の相互作用を理解する上で不可欠な要素です。電子が相互作用する原子間を移動すると、運動量を運びます。電子の集合体が閉じ込められると、パウリの排他原理により、それらの最小運動量は必然的に増加します。密度を含む分子スケールでの物質の挙動は、電磁力と電子自体が運ぶ運動量の交換によって生成される力のバランスによって決まります。^[20]

1600年、ウィリアム・ギルバートは著書『磁気論』の中で、電気と磁気はどちらも物体を引き付けたり反発させたりはするものの、それぞれ異なる作用であると提唱した。^[21]船乗りたちは、落雷が方位磁針を乱す可能性があることに気づいていた。雷と電気の関連性は、ベンジャミン・フランクリンが1752年に提案した実験が 1752年5月10日にフランスのトーマス・フランソワ・ダリバールによって凧の代わりに高さ40フィート（12メートル）の鉄棒を使って行われ、雲から電気火花を取り出すことに成功するまで確認されなかった。^{[22] [23]}

人間が作り出した電流と磁気の関係を最初に発見し、発表した人物の一人がジャン・ロマグノシで、1802年に電池に電線をつなげると近くの方位磁針が曲がることに気づいた。しかし、この効果は1820年にエルステッドが同様の実験を行うまで広く知られることはなかった。^[24]エルステッドの研究はアンペールに影響を与え、アンペールはさらに実験を行い、最終的には物理学の新しい分野である電気力学を生み出した。電流の要素間の相互作用に関する力の法則を決定することで、アンペールはこの主題をしっかりとした数学的基礎の上に置いた。^[25]

古典電磁気学として知られる電磁気学の理論は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの論文が出版された1820年から1873年の間に、数人の物理学者によって発展した。この論文では、光は光伝導エーテル中を伝播する電磁波であると提唱し、それまでの発展を単一の理論に統合した。^[26]古典電磁気学では、電磁場の挙動はマクスウェル方程式と呼ばれる一連の方程式によって記述され、電磁力はローレンツ力の法則によって与えられる。^[27]

古典電磁気学の特異性の 1 つは、古典力学と調和させることが難しいが、特殊相対性理論とは両立するという点です。マクスウェル方程式によれば、真空中の光速は、自由空間の電気誘電率と透磁率のみに依存する普遍定数です。これは、古典力学の長年の基礎であるガリレイ不変性に反します。2 つの理論 (電磁気学と古典力学) を調和させる 1 つの方法は、光が伝播する発光エーテルの存在を仮定することです。しかし、その後の実験的努力では、エーテルの存在を検出できませんでした。ヘンドリック ローレンツとアンリ ポアンカレの重要な貢献の後、1905 年にアルバート アインシュタインが特殊相対性理論を導入してこの問題を解決しました。特殊相対性理論は、古典的な運動学を、古典電磁気学と両立する新しい運動学理論に置き換えました。 （詳細については、「特殊相対性理論の歴史」を参照してください。）

さらに、相対性理論は、移動する参照フレームでは磁場が非ゼロの電気成分を持つフィールドに変換され、逆に移動する電場が非ゼロの磁気成分に変換されることを示唆しており、これらの現象が表裏一体であることが明確に示されています。これが「電磁気学」という用語の由来です。(詳細については、「古典電磁気学と特殊相対性理論」および「古典電磁気学の共変定式化」を参照してください。)

現在、電磁気学において未解決の問題はほとんど残っていない。これには、磁気単極子の欠如、アブラハム・ミンコフスキー論争、電磁場エネルギーの空間的位置^{[28] 、一部の生物が}電場と磁場を感知できるメカニズムなどが含まれる。

マクスウェル方程式は線形であり、発生源（電荷と電流）の変化が場の比例的な変化をもたらす。非線形ダイナミクスは、電磁場が非線形力学法則に従う物質と結合するときに発生する可能性がある。^[29]これは、例えば、マクスウェル理論とナビエ・ストークス方程式を組み合わせた磁気流体力学という分野で研究されている。^[30]非線形性を扱う電磁気学の別の分野は、非線形光学である。

電磁気学に関連する一般的な単位のリストは次のとおりです。^[31]

電磁CGSシステムでは、電流はアンペールの法則によって定義される基本量であり、透磁率は真空中での値が1である無次元量（相対透磁率）とみなされます。^[32]結果として、光速の2乗は、このシステム内の量を相互に関連付ける方程式のいくつかに明示的に現れます。

電磁気学の物理法則（マクスウェル方程式など）の式は、使用する単位系に応じて調整する必要がある。これは、機械単位の場合のように、SIの電磁気単位とCGSの電磁気単位の間には1対1の対応がないからである。さらに、CGSには、ガウス、ESU、EMU、ヘビサイド・ローレンツなど、さまざまな単位「サブシステム」につながる、いくつかの妥当な電磁気単位の選択肢がある。これらの選択肢の中で、ガウス単位は現在最も一般的であり、実際、「CGS単位」という語句は、CGSガウス単位を指すためによく使用される。^[34]

電磁気学の研究は、電気回路、磁気回路、および半導体デバイスの構造に役立ちます。

Wikiquote には電磁気学に関する引用があります。

• 磁場強度変換器
• 電磁力 – エリック・ワイスタインの物理学の世界より