電磁気

物理学において、電磁気学は、電磁場を介して電荷を持つ粒子間に生じる相互作用です。電磁力は、自然界の4つの基本力の1つです。^{[ 1 ]}原子や分子の相互作用において支配的な力です。電磁気学は、電気、磁気、光学という3つの異なるが密接に絡み合った現象を記述し、関連付けます。電磁気学では、これらの現象は、静電気学、静磁気学、電気力学の3つの下位分野によって記述されます。

電磁力は、日常生活で観察される多くの化学的および物理的現象の原因となっています。原子核とその電子間の静電引力は、原子同士を結びつけています。電気力は、異なる原子が結合して分子を形成することを可能にします。一方、電子のスピン磁気モーメント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、現代の技術においてもいくつかの重要な役割を果たしています。例えば、電気エネルギーの生成、変換、配電、光、熱、音の生成と検出、光ファイバーおよび無線通信、センサー、計算、電気分解、電気めっき、そして機械式モーターとアクチュエーターなどです。

電磁気学は、雷や静電気といった電気現象、そして磁化された鉄鉱石や羅針盤同士の引力といった磁気現象を説明するために、古代から研究されてきました。18世紀と19世紀には、科学者たちはこれらの現象と電荷や電流との間の数学的な関係を解明しました。また、電気現象と磁気現象は関連しており、可視光線やガンマ線、X線、紫外線、赤外線、マイクロ波、電波などの他の形態の電磁放射を形成する自己持続的な電磁波を生み出すことができることを示しました。

現代では、科学者たちは量子力学や相対性理論を含む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る。電磁気学の理論的意味、特にさまざまな運動する参照系から観測しても観測が一貫しているという要件（相対論的電磁気学）と、伝播媒体の特性（透磁率と誘電率）に基づいて光速を確立するという要件は、 1905年のアインシュタインの特殊相対性理論の着想に役立った。量子電磁力学（QED）は、物質の量子化された性質と整合するようにマクスウェル方程式を修正する。QEDでは、電磁場の変化は、離散的な励起、光子と呼ばれる粒子、光の量子によって表現される。

数学的に言えば、電磁気学は電磁場によって記述されます。これらは、特定の場所と時間における電気的（電場）および磁気的（磁場）な影響を表す量です。

電磁力は、既知の4つの基本力の中で2番目に強く、無限の範囲を持ちます。[ ^{1 ]非}基本力 と呼ばれる他のすべての力^{[ 2 ]}（摩擦力、接触力など）は、4つの基本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一されます。^{[ 3 ]}

原子間の相互作用に関わる力のほとんどは、電気的に帯電した原子核と電子間の電磁力によって説明される。電磁力は、あらゆる化学現象にも関与している。

電磁気学は、物質が個々の粒子と空隙から構成されているにもかかわらず、どのように運動量を持つかを説明する。私たちが通常の物体を「押したり」「引いたり」する際に感じる力は、私たちの体内や物体内の個々の分子間の分子間力によって生じる。

電子の運動量によって生じる有効力は、原子間および分子間相互作用を理解する上で不可欠な要素である。電子は相互作用する原子間を移動する際に運動量を運ぶ。電子の集合体がより閉じ込められると、パウリの排他原理により、その最小運動量は必然的に増加する。分子スケールでの物質の挙動（密度を含む）は、電磁力と電子自身が運ぶ運動量の交換によって生じる力とのバランスによって決定される。^{[ 4 ]}

電磁気現象は、電磁場を用いて数学的に記述されます。電磁場（またはEM場）は、空間と時間の中で変化する物理場であり、電荷によって生成され、電荷に作用する電気的および磁気的な影響を表します。空間と時間の任意の点における場は、電場と磁場の組み合わせとみなすことができます。これらの場は相互に関係しているため、電場の乱れは磁場の乱れを引き起こし、それが今度は電場に影響を与え、空間を伝播する振動、すなわち電磁波が発生します。

電磁場を記述するために、3つの異なるケースで6つの数学的量が用いられます。真空中の電磁場のように、すべての電荷が直接既知である場合は、電場Eと磁束密度Bを用いて電磁場を記述します。物質内部の電荷が印加された電場と磁場に反応する場合を記述するには、EとBに加えて、電束密度Dと磁場強度Hを定義すると便利です。最後に、電磁場を力ではなく、位置エネルギーと運動量で記述すると便利な場合もあります。この場合、電磁場はそれぞれ電位Vと磁気ベクトルポテンシャルAで表されます。

静電気学は、量子効果を無視できる巨視的な物体上の、ゆっくりと移動する、あるいは静止している電荷を研究する物理学の一分野です。このような状況下では、電場、電位、電荷密度は、磁気効果による複雑な関係なしに結び付けられます。

古代から、琥珀などの一部の物質は、こすると軽い粒子を引き付けることが知られていました。^{[ 12 ]}ギリシャ語のḗlektron（ἤλεκτρον）は「琥珀」を意味し、これがelectricity（電気）という言葉の語源となりました。静電気現象は、電荷が互いに及ぼす力から生じます。このような力はクーロンの法則によって説明されます。

静電気現象の例は数多くあり、包装から取り出したプラスチックラップが手に引き寄せられるといった単純なものから、穀物サイロの突発的な爆発、製造過程における電子部品の損傷、コピー機やレーザープリンターの動作に至るまで多岐にわたる。

静磁気学は、電流が定常（時間とともに変化しない）なシステムの磁場を研究する学問です。静磁気学は、電荷が静止している静電気学の磁気版です。磁化は静的である必要はありません。静磁気学の方程式は、ナノ秒以下の時間スケールで発生する高速磁気スイッチングイベントを予測するために使用できます。 ^{[ 13 ]}静磁気学は、電流が静的でない場合でも、電流が急速に交替しない限り、良い近似となります。静磁気学は、コンピュータメモリなどの磁気記憶装置のモデルなど、マイクロマグネティクスの応用で広く使用されています。

1600年、ウィリアム・ギルバートは著書『De Magnete』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する能力があるものの、異なる効果であると提唱した。^{[ 14 ]}船乗りたちは、落雷が羅針盤の針を乱す可能性があることに気づいていた。落雷と電気の関連性は、 1752年にベンジャミン・フランクリン が提案した実験が、 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。^{[ 15 ] [ 16 ]} 

人工電流と磁気との関連性を最初に発見し発表した人物の一人はジャン・ロマニョージで、1802年にボルタ電池にワイヤーを接続すると近くの方位磁針が偏向することに気づいた。しかし、この効果が広く知られるようになったのは、1820年にエルステッドが同様の実験を行った時である。^{[ 17 ]}エルステッドの研究はアンペールにさらなる実験を行うよう促し、最終的に電気力学という新しい物理学の分野が生まれた。アンペールは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、この分野を確固たる数学的基礎の上に置いた。^{[ 18 ]}

古典電磁気学として知られる電磁気理論は、1820年から1873年の間に複数の物理学者によって開発され、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの論文が出版されました。この論文は、それまでの発展を単一の理論に統合し、光は光を伝えるエーテルの中を伝播する電磁波であると提唱しました。^{[ 19 ]}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して知られる一連の方程式で記述され、電磁力はローレンツ力法則で与えられます。^{[ 20 ]}

古典電磁気学の特異な点の一つは、古典力学との整合性が難しい一方で、特殊相対性理論とは両立するという点である。マクスウェル方程式によれば、真空中の光速は普遍定数であり、自由空間の誘電率と透磁率のみに依存する。これは、古典力学の長年の礎石であるガリレオ不変性に反する。電磁気学と古典力学という二つの理論を調和させる一つの方法は、光が伝播する光伝達エーテルの存在を仮定することである。しかし、その後の実験ではエーテルの存在は確認されなかった。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年にアルベルト・アインシュタインは特殊相対性理論を導入することでこの問題を解決した。特殊相対性理論は、古典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たのである。（詳細は「特殊相対性理論の歴史」を参照。）

さらに、相対性理論によれば、運動する座標系では、磁場はゼロでない電場成分を持つ場に変化し、逆に、運動する電場はゼロでない磁場成分を持つ場に変化する。したがって、これらの現象は表裏一体の関係にあることが明確に示される。これが「電磁気学」という用語の由来である。（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形式」を参照のこと。）

今日、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。これらには、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における位置^{[ 21 ]} 、および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。

電磁気学に関連する一般的な単位の一覧を以下に示します。^{[ 24 ]}

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、透磁率は真空中では1となる無次元量（相対透磁率）として扱われます。^{[ 25 ]}その結果、このシステムにおける量の相互関係を示すいくつかの式には、光速の2乗が明示的に現れます。

電磁気学の物理法則（マクスウェル方程式など）の公式は、使用する単位系に応じて調整する必要があります。これは、機械単位の場合とは異なり、SI の電磁単位と CGS の電磁単位の間には1 対 1 の対応関係がないためです。さらに、CGS 内には、電磁単位として妥当な選択肢がいくつかあり、ガウス単位、ESU、EMU、ヘヴィサイド・ローレンツなど、さまざまな単位の「サブシステム」が存在します。これらの選択肢の中で、ガウス単位は今日最も一般的であり、実際、「CGS 単位」という用語は、特にCGS-ガウス単位を指すためによく使用されます。^{[ 27 ]}

電磁気学の理論は、電気回路、磁気回路、半導体デバイスの理解と設計に用いられる。

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