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Oct 23, 2023

電磁力とは何ですか?

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ジョナサン・パイ/アンスプラッシュ

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電磁力は自然の基礎的な力の 1 つであり、私たちのほとんどが当然のことと考えているにもかかわらず、現代社会にとって間違いなく最も重要なものです。

標準モデルの 4 つの基本的な力の 1 つとして、静電気のような影響はより大きなものの一部であることを古代人でさえ理解しており、何世紀にもわたって科学研究の中心となってきました。 それは私たちの周りに存在する力であり、電線内の電子の動きから磁石の挙動、そして私たちが目にする光に至るまで、日常の幅広い現象に関与しています。 この力の特性を理解することは、素粒子の挙動から電子デバイスの設計に至るまで、あらゆるものを理解するために重要です。

最小の素粒子から宇宙最大の構造に至るまで、電磁力は私たちの周囲の世界を形作る上で重要な役割を果たしています。 この力をより深く理解することで、物質とエネルギーの挙動についての洞察が得られ、世界をより深く理解し、私たち全員に利益をもたらす新しい技術を開発するのに役立ちます。

電磁力は、強い核力、弱い核力、重力と並ぶ自然界の 4 つの基本的な力の 1 つです。 陽子、電子、イオンなどの荷電粒子間の相互作用を担当します。

物理学における電磁力の重要性は、私たちの周囲で観察される事実上すべての現象に電磁力が関与しているため、過小評価することはできません。 落雷からモーターや発電機の動作に至るまで、あらゆるものに存在する電界と磁界の挙動に関与します。

さらに、電磁力は、光や、電波、マイクロ波、X 線などの他の形態の電磁放射の挙動に関与します。

亜原子レベルでは、電磁力は原子や分子内の荷電粒子の挙動に関与します。 この力は原子の構造と元素の化学的性質を決定し、分子を結合する化学結合の形成を可能にします。

電磁力がなければ分子の形成は不可能であり、私たちが知っている生命に必要な複雑な化学も不可能です。

電磁力の最も重要な用途の 1 つは、エレクトロニクスおよび通信技術です。 電場と磁場を操作することで、電子の流れを作成および制御することができ、複雑な計算を実行し、長距離にわたって情報を送信する回路やデバイスを作成できるようになります。 携帯電話から衛星に至るまで、電磁力は現代の技術インフラにおいて重要な役割を果たしています。

電磁力は、素粒子物理学、天体物理学、宇宙論など、物理学の他の多くの分野でも重要な役割を果たしています。 これは磁場の存在下での荷電粒子の挙動に関与しており、オーロラなどの現象の理解や粒子加速器での高エネルギー粒子の研究にとって重要です。

つまり、それはほぼどこにでもあり、何らかの形で私たちが行うことのほぼすべてに関与しています。

フェルミ研究所

電磁力の証拠は膨大であり、何世紀にもわたる科学的調査によって蓄積されてきました。 電磁力に関する最も初期の証拠の一部は、特定の材料をこすり合わせると静電気が発生する可能性があることを観察した古代ギリシャ人にまで遡ることができます。

この観察は後にベンジャミン フランクリンのような科学者によって研究され、発展させられました。彼らは電荷の実験を行い、正電荷と負電荷の概念を生み出しました。

電磁力のもう 1 つの重要な証拠は、電場または磁場の存在下での荷電粒子の挙動です。 たとえば、帯電粒子は電場によって加速できますが、磁気的に荷電した粒子（つまり、磁気モーメントを持つ粒子）は磁場によって偏向できます。 これらの粒子の挙動は電磁理論の予測と一致しています。

さらに、電磁力は、素粒子の挙動を研究するための粒子加速器での磁場の使用など、電磁気学に関連する実験を通じて直接観察および研究されてきました。 電磁力は、可視光、X 線、電波などの電磁放射の現象にも関与しており、さまざまな実験方法を通じて観察および測定できます。

ロンドン王立研究所

電磁力は自然界に常に存在する基本的な力であるため、誰が「発見」したかを言うことは不可能です。

しかし、電磁力を構成する 2 つの現象である電気と磁気の研究は古代にまで遡ります。 古代ギリシャ人は静電気に気づいており、中国軍は 3 世紀にはすでに磁気コンパスを使用していました。

電磁力のより「現代的な」解明は歴史を通じて数人の科学者によるものと考えられていますが、実際に電磁力に関わった最も初期の現代科学者の一人はウィリアム・ギルバートです。 16 世紀のイギリスの医師であり自然哲学者であるギルバートは、磁気と電気に関する広範な研究を行い、帯電したものの間で起こる引力現象を説明するために「電気力」、「電気引力」、「磁極」という用語を初めて使用しました。身体。

18 世紀、フランスの物理学者シャルル オーギュスタン ド クーロンは、荷電粒子間の静電相互作用を説明するクーロンの法則を定式化しました。 彼はまた、2 つの電荷間の電磁力の強さはそれぞれの電荷の積に比例し、互いの距離の 2 乗に反比例することを最初に認識した人でもあります。

また、米国の通説ではベンジャミン フランクリンが電気 (または少なくとも雷との関連性) の「発見者」であるとされていますが、実際にはそうではありません。 雷と電気の関係については、フランクリンの凧実験のずっと前から議論されていましたが、フランクリンがより興味を持っていたのは、木造住宅を落雷による火災から守る方法でした。 導体として金属製の鍵を使用した彼の凧の実験は、むしろ当時の木造建築物から雷からの電気を流すための初期の避雷針を開発することでした。

電磁力の理解に大きく貢献したもう 1 人の英国の物理学者マイケル ファラデーは、電気モーターや発電機の駆動に役立つ重要な技術革新である電磁誘導を発見しました。

さらに多くの科学者が現在に至るまで電磁力の漸進的な理解に貢献しており、アルバート アインシュタインとリチャード ファインマンは 20 世紀の最大の貢献者の 2 人です。

ピッコロナメック / ウィキメディア・コモンズ

電気とは、通常はワイヤなどの導体を通る電荷の流れを指します。 電荷の移動により磁場が生じ、電荷と磁場の相互作用によって電磁力が生じます。

電磁力は、電子や陽子のような荷電粒子間の相互作用や、電場と磁場の挙動を説明する自然界の基本的な力です。

本質的に、電気は電荷の移動から生じる現象ですが、電磁力は荷電粒子間の相互作用を説明する基本的な力です。 この 2 つは密接な関係にありますが、電気と電磁力は 2 つの異なるものであり、同義であると考えるべきではありません。

D-クロウ/ウィキメディア・コモンズ

電気と電磁力が別個ではあるが関連する概念であるのと同様に、電磁放射は電磁力と深く結びついていますが、同じものではありません。

電磁力は、荷電粒子間の相互作用から発生します。 それは引力または斥力のいずれかであり、原子や分子の挙動から材料の特性、電子デバイスの機能に至るまで、幅広い現象に関与します。

一方、電磁放射は、荷電粒子の運動によって生成されるエネルギーの波または粒子を指します。 電磁放射線の例としては、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線が挙げられる。 電磁放射線は、その波長または周波数とその振幅によって特徴付けられ、加熱、イオン化、化学反応など、物質に幅広い影響を与える可能性があります。

したがって、電磁放射は、作用する電磁力の結果、特に電磁力の影響下で荷電粒子の運動によって生成されるエネルギーの波または粒子であると考えたほうがよいでしょう。

電磁力は光子と呼ばれる粒子によって伝達されます。

光子は、電荷も静止質量も持たず、真空中を光の速度で移動する素粒子です。

光子は、電子などの荷電粒子が高いエネルギー レベルから低いエネルギー レベルに遷移するときに生成されます。 このプロセスは光子の放出と呼ばれます。 逆に、光子は荷電粒子に吸収され、より高いエネルギーレベルへの遷移を引き起こす可能性があります。

これらは、可視光、電波、X 線などの電磁放射線を運ぶ役割を担うため、「光の粒子」と呼ばれることがよくあります。 何よりも、光子は私たちがはっきりと「見る」ことができる基本的な力の伝達手段であり、そもそも私たちが見ることができる理由は光子にあるからです。

光子はまた、光合成や太陽電池での発電など、幅広い現象において重要な役割を果たします。 また、そのユニークな特性により、科学者は光の性質と物質の挙動を量子レベルでより深く理解できるようになりました。

電磁力の強さは、重力と弱い核力と強い核力を絶対的に支配するため、日常世界に多大な影響を与えます。

これは、原子未満のスケールでしか影響力を及ぼすことができない強い核力や弱い核力とは異なり、その影響が非常に長距離に及ぶ可能性があるという電磁力の重要な特性とも大きく関係しています。

ただし、これは電磁力が量子スケールで強くないという意味ではありません。

電磁力の強さは、荷電粒子間の相互作用の強さの尺度である結合定数によって決まります。 結合定数の値は約 1/137 であり、電磁力は日常のエネルギーにおける弱い核力や強い核力よりもはるかに強くなります。

ただし、粒子加速器や初期宇宙で見られるような非常に高いエネルギーでは、状況はさらに曖昧になります。 このような状況では、電磁力の強さは弱い核力と強い核力に匹敵する可能性があり、特に高エネルギーでは、電磁力と弱い核力は非常に密接に絡み合い、単一の電気弱い力になります。

そして、これらのエネルギーでは、電磁力は、より低いエネルギーでは観察されない方法で粒子と相互作用する可能性があるため、高エネルギー実験は、電磁力の限界と能力を調査するのに特に役立ちます。

NASA / WMAP 科学チーム

電磁力は、ビッグバン直後の宇宙の非常に初期の段階に発生したと考えられています。 当時の宇宙は非常に高温で高密度であり、その粒子は高エネルギーで激しい活動状態にありました。

宇宙学者は、電磁気力は電弱力として知られる統一された力から生じたと信じています。 この力は、電磁気力と、ある種の放射性崩壊の原因となる弱い核力とを組み合わせたものです。

宇宙が冷えて膨張するにつれて、電磁弱力は対称性の破れとして知られる過程を経て、電磁力と弱い核力という 2 つの異なる力に分裂しました。

このプロセスは、宇宙の温度が約 1,000 億電子ボルト (GeV) と推定される電弱スケールとして知られる臨界閾値を下回ったビッグバンの約 10 ～ 10 秒後に起こりました。 温度的には、これは約 1015 ケルビンになります。

論文 / iStock

電磁力は技術的に私たちの生活に完全に浸透しているわけではありませんが、かなり近づいてきています。

いきなりですが、世界の電化地域に住んでいる場合、信号機からポケットの中の電話、通信する無線信号に至るまで、電磁力は生活のほぼすべてにおいて重要な役割を果たすことになります。そしてあなたが見ているテレビ。

すべては発電に帰着しますが、これは基本的に電磁力を利用して産業を推進することによって推進されます。 発電は、変化する磁場がワイヤのコイルなどの導体に電流を誘導し、その電流を必要な場所に有線または無線で送信するプロセスです。

マイナスに帯電した粒子である電子の挙動は電磁力によって支配されます。 これは、コンピューター、テレビ、スマートフォンなどの電子機器の基礎です。 電磁力は、回路内の電子間の相互作用や、有線および無線ネットワークを介した信号の送信にも関与します。

電気モーターと発電機も電磁力に依存しています。 ワイヤに電流が流れると、他の磁場と相互作用する磁場が発生し、電気モーターが動きます。これを使用して、重い荷物や人を輸送したり、他のツールに利用して仕事を生産したりすることができます。 。

医学では、磁気共鳴画像法 (MRI) は電磁力を使用して人体の詳細な画像を作成します。 これは、非常に強力な磁場と電波を使用して体内の組織内の陽子のスピンを操作し、センサーによって検出されて画像を作成することで機能します。

最後に、電磁力は、ラジオ、携帯電話、インターネットを含む現代の通信インフラ全体にとって不可欠です。 これらのテクノロジーは、空気を介した電磁波の伝達に依存して情報を送受信します。

私たちが見たり経験したりするすべてのものを構成する原子を含む、宇宙のすべての物質は、その構造と特性を維持するために電磁力に依存しています。 電磁力がなければ物質はもはや結合できなくなり、私たちが知っている宇宙は存在しなくなります。

水、タンパク質、DNA などの原子間の化学結合は、電磁力によって形成され、結合されます。 この力がなければ、これらの結合は壊れ、分子は構成原子にばらばらになってしまいます。 すべての固体、液体、気体の構造と安定性は失われ、私たちが知っている世界は、粒子が無定形で混沌とした混合物になるでしょう。

電磁力は物質の構造における重要な役割に加えて、多くの自然現象においても重要な役割を果たします。 たとえば、電磁力は光やその他の電磁放射の挙動に関与しており、電子機器やその他の技術デバイスの機能に不可欠です。

電磁力がなければ、宇宙は大きく異なった認識できない場所となり、私たちが知っているような生命は不可能になるでしょう。

電磁力は十分に理解されており、物質の挙動において基本的な役割を果たしていますが、その特性と相互作用に関連する物理学にはまだ未解決の疑問がいくつかあります。

物理学における最大の未解決の問題の 1 つは、電磁力と重力をどのように調和させるかということです。重力は、より大きなスケールで物質の挙動を支配するもう 1 つの基本的な力です。 他の 2 つの基本的な力である強い核力と弱い核力は、ビッグバン直後に存在する高エネルギーで単一の電弱な力に融合することが示されていますが、これを重力で統一する試みはこれまでのところ成功していません。

もう一つの未解決の問題は暗黒物質の問題です。 科学者たちは、宇宙には、観測された目に見える物質によって説明できるよりもはるかに多くの物質が存在すると信じています。 この「暗黒物質」は通常の物質と弱い相互作用をすると考えられており、標準模型を超えた新しい物理学の主な候補と考えられることがよくあります。 今のところ相互作用は観察されていないため、電磁力が何らかの形で暗黒物質と相互作用するかどうかは明らかではない。

より実際的には、粒子加速器で見られるような非常に高いエネルギーでは、電磁力はよく理解されていない予期せぬ挙動を示す可能性があります。 もう 1 つの未解決の問題は、量子電気力学 (QED) 理論です。これは、電磁力の挙動を驚くべき精度で記述しますが、完全に理解して計算するのが難しい微妙な影響がまだいくつかあります。

そのような効果の 1 つがラム シフトです。これは、電子と電磁場の間の相互作用によって引き起こされる水素原子のエネルギー レベルの小さな偏差を指します。

全体として、電磁力は 4 つの基本的な力の中で最もよく理解されているものの 1 つですが、依然として解明され、探求されるさらなる秘密が期待されています。 そして、私たちの現代技術の多くに電磁力の重要性を与えていることを考えると、さらなる発見が私たちが考えていたよりもさらに遠くへ私たちを連れて行ってくれることを期待する十分な理由があります。